Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali
Qualità dell’aria: modelli
Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali
a.a. 2007-2008
Dispense del Corso
Laurea in Ingegneria Gestionale
Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni (ind. Sistemi di Telerilevamento)
Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica (ind. Gestione e Automazione dei Servizi)
Chiara Mocenni
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I processi fisici: diffusione e trasporto
 Dispersione della massa: si assume che in un
volumetto infinitesimo dxdydz nell’intervallo temporale
dt l’incremento della massa inquinante e quindi la sua
concentrazione media C(x,y,z,t) eguagli l’apporto
netto derivante dagli ingressi esterni e dall’eventuale
contributo di una sorgente inquinante S o di un fattore
di rimozione R.
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Equazione della diffusione
C ( x, y, z , t )
dxdydz  Fn  S  R
t
Fn  flusso netto entrante in dxdydz
S  sorgente
R  rimozione
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 A causa delle turbolenze e dei fenomeni vorticosi il
moto è sempre vario, ma se facciamo riferimento alla
media in un periodo di tempo T di durata maggiore
della scala temporale delle fluttuazioni turbolente e
minore della scala delle variazioni di velocità medie
del vento, si può distinguere una componente media v
ed una componente fluttuante v’ sovrapposta al moto
e a media nulla.
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 Essendo C influenzata dalla velocità del vento risulta
che anche C è composta da una componente media
C e da una fluttuante C’.
 La prima componente rappresenta il trasporto e la
seconda la diffusione.
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I modelli di dispersione
 Data una emissione di una certa sostanza in atmosfera
(boundary layer) il modello di dispersione calcola le
concentrazioni di questa sostanza nei punti dello spazio
circostante.
 Lo scopo di una simulazione modellistica può essere quello di un
confronto delle concentrazioni calcolate con quelle di riferimento
della normativa di legge oppure di verificare l’impatto di una
variazione dello scenario emissivo (ad es. modifiche di un
impianto di generazione o flussi di traffico).
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Criteri per la scelta del modello
 Scala spaziale
 Scala temporale
 Dominio
 Inquinante
 Meteorologia
 Sorgenti emissive
 Regime
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Modelli deterministici
Modelli euleriani (STEM, CAMX) di chimica e trasporto,
sorgenti puntuali o diffuse, risoluzione orizzontale max  1
Km in orizzontale
Sistema di coordinate fisse
Si basano sulla risoluzione di una equazione
differenziale di diffusione ricavata dal bilancio di massa
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 Si distinguono:
Modelli analitici (andamento al suolo della
concentrazione sottovento ad una sorgente continua
puntiforme)
ha
he
ht
hs
condizioni stabili (categorie E, F)
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ha
he
ht
hs
condizioni instabili e neutre (categorie A, B, C, D)
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Modelli a box (il dominio è suddiviso in una o più celle
all’interno delle quali l’inquinante è considerato
perfettamente miscelato)
Modelli a griglia (il dominio è suddiviso in un grigliato
tridimensionale, metodo risolutivo: differenze finite).
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 Modelli fotochimici (modelli a griglia): oltre a simulare fenomeni di
trasporto e diffusione tengono conto di reazioni chimiche in fase
gassosa e delle deposizioni secche.
 Finalizzati alla ricostruzione dell’inquinamento secondario:
Ozono troposferico, Particolato, deposizioni acide
 Modelli euleriani tridimensionali a griglia
 Sono in grado di ricostruire i seguenti processi:
Emissioni da sorgenti areali e puntuali
Trasporto e diffusione turbolenta
Trasformazioni chimiche (fase gas e fase aerosol)
deposizione secca e umida
 Inquinanti considerati:
NOX, O3, VOC, HNO3, SO2, H2SO4, NH3, PPM
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Input dei modelli fotochimici:
Parametri meteorologici;
Parametri geofisici;
Parametri emissivi;
Parametri chimici;
Parametri sperimentali.
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CALGRID (CALifornia GRIDded model)
 Sistema di riferimento mobile che segue gli spostamenti delle
masse d’aria di cui si vuole riprodurre il comportamento.
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 Il box si muove in accordo con il vento presente nel
bacino di studio. Ciò permette di simulare il
movimento di una colonna d’aria all’interno del
dominio la cui concentrazione di specie inquinanti è
dovuta alle emissioni incontrate lungo il percorso, a
processi di trasformazione chimica e di deposizione.
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 Modelli lagrangiani a particelle (SPRAY), sorgenti
puntuali o diffuse dominio di calcolo  25x25 Km2,
risoluzione orizzontale max  100 m
 Modello lagrangiano a particelle per terreno
complesso
 La dispersione degli inquinanti viene ricostruita
schematizzando l'emissione attraverso un insieme di
unità piccolissime di dimensioni di massa nota
 Ogni particella segue una diversa realizzazione
(evoluzione) del flusso turbolento
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Modelli a traiettorie
 Servono per modellare fenomeni che avvengono su
scale spaziali dell’ordine delle centinaia di migliaia di
chilometri. Esempi sono l’acidificazione e
l’eutrofizzazione di ambienti naturali, il trasporto di
metalli pesanti.
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Modelli stocastici
 Controllo in tempo reale e previsione dei livelli di
attenzione e di allarme.
 Non prevedono le concentrazioni degli inquinanti in
base a leggi fisiche e a relazioni causa-effetto, ma
sulla base dei dati misurati nel passato. Sono quindi in
grado di prevedere le concentrazioni nei soli punti in
cui si sono misurati i dati.
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Esempi
 APC-2: Atmosferic Pollution Control
 WINAST: identificazione di modelli ARX
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 CALPUFF: riproduce il trasporto, la trasformazione e
la deposizione di inquinanti in condizioni
meteorologiche variabili non omogenee e non
stazionarie. Può simulare e missioni puntuali e areali.
 CALMET (integra CALPUFF e CALGRID)
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 CALMET permette di ricostruire il campo di vento e il
campo di temperatura.
Permette inoltre di calcolare i parametri di turbolenza.
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 CALGRID: applicazione per la riproduzione di un
fenomeno di inquinamento fotochimico nel 1998 in
Lombardia.