Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali
Qualita’ dell’acqua
Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali
a.a. 2007-2008
Laurea in Ingegneria Gestionale
Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni
Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica
Prof.ssa: Chiara Mocenni
http://www.dii.unisi.it/~mocenni/mgsa-teach-07-08.html
Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali
A partire dagli anni ’60 si sono manifestati i primi segni di
inquinamento e degradazione ambientale come conseguenza
dell’eccessiva industrializzazione:
- strati spessi di olio nero su cui galleggiavano detriti e
spazzatura (Cuyahoga River, 1960);
- alghe stratificate e pesci morti in superficie (Lake Erie, 1969).
Clean Water Act 1972
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 Growing public awareness and concern for controlling water
pollution led to enactment of the Federal Water Pollution Control
Act Amendments of 1972. As amended in 1977, this law became
commonly known as the Clean Water Act. The Act established
the basic structure for regulating discharges of pollutants into the
waters of the United States. It gave Environmental Protection
Agency (EPA) the authority to implement pollution control
programs such as setting wastewater standards for industry. The
Clean Water Act also continued requirements to set water quality
standards for all contaminants in surface waters. The Act made it
unlawful for any person to discharge any pollutant from a point
source into navigable waters, unless a permit was obtained
under its provisions. It also funded the construction of sewage
treatment plants under the construction grants program and
recognized the need for planning to address the critical problems
posed by nonpoint source pollution.
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La Water Framework Directive
 The European Community has adopted the concept of
Integrated Water Resource Management (IWRM) as
an integral part of the Water Framework Directive,
which was published in October 2000.
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La Water Framework Directive
General key features of the IWRM approach are the following:
 Interactions between biophysical, ecological and socioeconomic
drivers, processes and impacts should be considered through an
integrated system approach.
 A balance needs to be achieved between economic and
environmental objectives, requiring assessment of social and
economic impacts from policies, and not only biophysical
impacts.
 Environmental performance and improvement should be
measured in view of “good condition” targets.
 Public participation and collaboration is a key feature of
management and decision-making at the catchment level.
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La Water Framework Directive
 In other words, the approach recognizes that the
impact of management decisions is not restricted to
the water resource itself, but inevitably affects a range
of stakeholders with interests in the area. These
impacts must be identified and evaluated under
different scenarios. To make a balanced and fair
judgment, a planner must be able to evaluate the
effects of a decision based on a wide range of factors.
Since many of the impacts may conflict, an integrated
policy requires all the types of benefits and drawbacks
to be taken into account and evaluated.
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L’acqua e la popolazione mondiale
 Mentre l’acqua potabile è un bene che in numerose zone
viene dato per scontato, in altre essa costituisce una risorsa
preziosa, e questo sia a causa della sua scarsità, sia a
causa della contaminazione delle sorgenti idriche.
 Circa 1,1 miliardi di persone, vale a dire il 18 % della
popolazione mondiale, non hanno infatti accesso all’acqua
potabile, mentre più di 2,4 miliardi di persone non
dispongono di impianti fognari adeguati.
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L’acqua e la popolazione mondiale
 Nei paesi in via di sviluppo più di 2,2 milioni di persone, in
maggioranza bambini, muoiono ogni anno per delle malattie
la cui insorgenza è associabile alla mancanza di acqua
potabile, a degli impianti fognari inadeguati e a un’igiene
scadente.
 Una larga percentuale delle persone che vivono nei paesi in
via di sviluppo soffre di malattie causate direttamente o
indirettamente dal consumo di acqua o cibo contaminati o
da organismi infettivi che si riproducono nell’acqua. Potendo
contare su un’adeguata disponibilità di acqua potabile e di
fognature, invece, l’incidenza di alcune malattie e dei
decessi conseguenti potrebbe ridursi fino al 75 %.
 Nonostante il 70% della superficie terrestre sia coperta dalle
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acque, l’acqua dolce costituisce solamente il 2,5% del totale,
mentre il rimanente 97,5% è composto da acqua salata. Più o
meno il 70% delle riserve di acqua dolce si trova nelle calotte
glaciali, e gran parte del resto è presente sotto forma di umidità
del terreno, oppure si trova in profonde falde acquifere
sotterranee inaccessibili.
 Può essere utilizzato dall’uomo meno dell’1% delle risorse
mondiali di acqua dolce.
Quantità d'acqua presenti nella Terra
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Voce
Area (Km2)
Acqua dolce
Volume (Km3)
%
147.900.000
37.300.000
2,7
15.100.000
28.200.000
2,04
In profondità comprese tra 800 e 4.000 m
130.900.000
7.710.000
0,34
In profondità comprese tra 0 e 800 m
130.900.000
3.740.000
0,27
830.000
125.000
0,009
130.900.000
69.000
0,005
13.500
1E-04
1.500
1E-04
Ghiacci polari e ghiacciai
Acqua profonda
Laghi
Umidità del suolo
Vapore atmosferico
510.100.000 (*)
Fiumi
Acqua salata
362.900.000
1.348.000.000
97,3
Oceani
362.900.000
1.348.000.000
97,3
700.000
105.000
0,008
1.385.000.000
100
Laghi salati e mari interni
Quantità totale
* Area della superficie terrestre
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 Le aree di scarsità e di difficoltà idriche sono in
crescita, particolarmente nel Nord Africa e nell’Asia
occidentale. Nel corso dei prossimi due decenni,
infatti, si prevede che il mondo avrà bisogno del 17%
di acqua in più per la coltivazione dei prodotti agricoli
necessari a sfamare le popolazioni in crescita dei
paesi in via di sviluppo, e che di conseguenza
l’impiego complessivo delle risorse idriche registrerà
un incremento pari al 40%.
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 Nel corso di questo secolo un terzo delle nazioni che
si trovano in regioni sottoposte a difficoltà idriche
potrebbe dover affrontare delle gravi carenze nella
disponibilità di acqua e, entro il 2025, due terzi della
popolazione mondiale vivrà probabilmente in nazioni
che affronteranno moderate o gravi insufficienze
idriche.
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 Le risorse di acqua dolce sono distribuite in maniera
estremamente disuguale. Le zone aride e semi aride
del pianeta, che costituiscono il 40% della massa
terrestre, infatti, ricevono solamente il 2% delle
precipitazioni globali.
 L’irrigazione agricola pesa per circa il 70% sui
consumi di acqua, e fino al 90% nelle zone aride dei
tropici. A partire dal 1960, i consumi idrici per
l’irrigazione sono aumentati di oltre il 60%.
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 Nei paesi in via di sviluppo, fra il 90 e il 95% delle
acque di scolo e il 70% delle scorie industriali
vengono scaricate nelle acque, dove inquinano le
risorse idriche disponibili, senza ricevere alcun
trattamento.
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I Governi, i ministri e gli esperti idrici riunitisi in occasione della
Conferenza Internazionale sulle Acque Dolci (Bonn, Germania,
Dicembre 2001) hanno previsto che, allo scopo di raggiungere
l’Obiettivo di Sviluppo del Millennio di dimezzare entro il 2015 la
percentuale di persone che in tutto il mondo non hanno accesso
all’acqua potabile, oltre che di conseguire l’obiettivo di
dimezzare, sempre entro il 2015, il numero delle persone che
non dispongono di impianti fognari, sarebbero necessari i
seguenti provvedimenti:
 1,6 miliardi di persone in più avranno bisogno di accedere a
servizi e infrastrutture adeguati per la fornitura di acqua potabile.
 2,2 miliardi di persone avranno bisogno di sistemi fognari migliori
e di conoscenze igieniche più approfondite.
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Il ciclo dell’acqua
 L'acqua presente in natura circola e si trasforma nell'idrosfera seguendo dei
percorsi che costituiscono il cosiddetto "ciclo idrologico". Il ciclo idrologico
non ha principio né termine. A mano a mano che l'acqua evapora dagli
oceani e dalle terre, essa diviene parte dell'atmosfera. Il vapore s'innalza
ed è trasportato per l'atmosfera sino a che si condensa e precipita sulla
terra o sul mare. L'acqua precipitata può essere intercettata o traspirata
dalle piante, può scorrere in superficie o venir giù per declivi fra strati
diversi del terreno, oppure può infiltrarsi sottoterra. L'acqua che rimane
alla superficie riempie le zone più basse, si raccoglie e poi evapora oppure,
dopo essersi raccolta, scorre via in un secondo tempo. Gran parte
dell'acqua intercettata e traspirata e di quella che scorre sul terreno ritorna
nell'atmosfera in seguito ad evaporazione. L'acqua che si infiltra nel terreno
può raggiungere le regioni più profonde ed ivi raccogliersi sotto forma di
acqua sotterranea, per uscir quindi fuori come sorgente od incanalarsi in
un corso d'acqua entrando a far parte delle acque di scorrimento, ed
evaporare infine nell'atmosfera per completare così il ciclo idrologico.
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In sostanza…
 La differenza tra l’acqua che arriva al suolo per le
precipitazioni – precipitation (>) e quella che lascia il
suolo per evaporazione e traspirazione evapotranspiration (<) è l’acqua che ritorna negli
oceani scorrendo in superficie (fiumi) o sottoterra
(acque sotterranee) - runoff.
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Gli inquinanti nell’acqua
L’acqua che viene utilizzata, una volta restituita all’ambiente è
inquinata. Le ragioni di questo sono molte. Elenchiamo le
principali.
Inquinamento sanitario
 La scarsità di acqua e la sua contaminazione da parte di
microrganismi, rappresenta una delle cause più importanti di
malattia. L’Organizzazione Mondiale della Sanità ha stimato che
tale problema sia responsabile di circa cinque milioni di morti
all’anno nel mondo. Nei paesi in via di sviluppo, soprattutto in
Africa, la possibilità di usufruire di acqua potabile da parte della
popolazione potrebbe evitare circa due milioni all'anno di decessi
di bambini a causa di diarrea.
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I batteri sono responsabili della trasmissione di malattie quali
colera, dissenteria, febbre tifoidea, mentre i virus sono
responsabili di malattie quali epatite e poliomielite.
Altri tipi di malattie non sono determinate direttamente da microbi
presenti nell’acqua, quanto piuttosto da piccoli animali che
fungono da vettori di malattia. Tali animali sono ad esempio
insetti che vivono in prossimità di acque (per lo più stagnanti) e
che fungono da ospiti per i microrganismi patogeni che vengono
inoculati nell’uomo al momento della puntura: ciò si verifica per
esempio per la malaria, il cui agente responsabile (Plasmodio) e
trasmesso in occasione della puntura di particolari specie di
zanzare (anopheles).
Alternativamente le malattie possono essere provocate dal
consumo alimentare di pesci o crostacei che a loro volta fungono
da ospiti per altri microrganismi.
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Qualita’ dell’acqua
 Una delle misure più importanti della qualità
dell’acqua è il quantitativo di ossigeno disciolto.
 Il valore di saturazione dell’ossigeno, che dipende da
salinità e temperatura, è modesto e varia tra 8 e 15
mg di ossigeno per litro d’acqua.
 Il minimo quantitativo di ossigeno raccomandato per
la vita dei pesci è di 5mg/l. In alcuni casi può essere
necessario anche un quantitativo superiore (eg. 8 mg/l
per i salmoni).
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 I rifiuti organici sono sostanze che si ossidano. Quando i batteri
decompongono tali sostanze l’ossigeno disciolto nell’acqua
diminuisce, fino anche a creare problemi per la sopravvivenza
dei pesci.
 Il carbonio organico può provenire sia da fonti naturali (zone
paludose), sia da fonti derivate dall’uomo (industrie o impianti di
trattamento di acque inquinate).
In acque ricche di azoto e fosforo, dove è in atto un processo di
eutrofizzazione, le stesse alghe possono divenire la principale
fonte di materiale organico e contribuire, quindi, al processo di
deossigenazione.
Anche la struttura del corpo idrico può influire; tratti di fiume
chiusi o lenti facilitano infatti l’accumulo di sostanze organiche.
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 Con il termine BOD (domanda biochimica di ossigeno), si intende
la quantità di ossigeno consumato durante un tempo determinato
(5 giorni per il BOD5), ad una data temperatura, per decomporre
le sostanze organiche presenti nell’acqua attraverso l’azione dei
batteri (respirazione cellulare).
Il BOD5 rappresenta il 68% del BODtot, necessario per ossidare
tutto il substrato organico nell’arco di 20 giorni.
 Un’elevata domanda biochimica d’ossigeno è l’indice di
un’intensa attività batterica di demolizione organica e potrebbe
quindi evidenziare la presenza di un inquinamento di tipo
organico. Per tale motivo, il BOD5 viene considerato come
misura della quantità dei microrganismi presenti nell’acqua
analizzata.
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La decomposizione batterica
 Decomposizione batterica aerobica:
OM + O2
CO2 + H2O + Cellule + Prodotti
(NO3, PO4, SO4,…)
 Decomposizione batterica anaerobica:
OM
CO2 + H2O + Cellule + Prodotti (H2S, NH3,
CH4,…)
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Come si può calcolare il BOD?
Immaginiamo un contenitore con un certo quantitativo
di materiale organico biodegradabile. Questo
quantitativo diminuisce man mano che viene ossidato,
fino a che finisce.
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Sia Lt la quantità di ossigeno richiesta al tempo t.
Assumendo che il suo decadimento avvenga tramite
una reazione del primo ordine, abbiamo
dL t
dt
= − kL t
dove k è la costante di reazione.
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La soluzione dell’equazione è
− kt
Lt= L0 e
dove L0 = BODt + Lt, cioè è la quantità di ossigeno
consumata al tempo t (BODt) + la quantità di
ossigeno che rimane ancora da consumare.
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Combinando le due equazioni si ottiene:
BODt=L0(1-e-kt)
La costante k dipende dalla temperatura secondo la
funzione seguente:
kT=k20 (T-20)
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I nutrienti nell’acqua
 I nutrienti sono sostanze chimiche quali fosforo, azoto,
carbonio, zolfo, calcio, potassio, ferro, manganese,
ecc. essenziali per gli organismi viventi. In termini di
qualità dell’acqua essi sono considerati inquinanti
quando sono presenti in quantità eccessive, tanto da
provocare la crescita esagerata di piante acquatiche
(eutrofizzazione).
 Nutrienti limitanti. In genere l’azoto nel mare e il
fosforo nelle acque dolci.
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 L’azoto proviene da scarichi urbani, dalle
acquacolture, è contenuto nei fertilizzanti e
direttamente nell’atmosfera, particolarmente nelle
vicinanze di industrie.
 Il fosforo, al contrario, non si trova negli ambienti
naturali, ma proviene principalmente dalle attività
umane, come negli scarichi agricoli e domestici (ad
es. nei detergenti).
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L’Eutrofizzazione
 L'eutrofizzazione è un processo degenerativo delle
acque indotto da eccessivi apporti di sostanze ad
effetto fertilizzante (azoto, fosforo ed altre sostanze
fitostimolanti) trasportate a mare dai fiumi e dagli
insediamenti costieri.
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L’Eutrofizzazione
 Le principali fonti di generazione sono costituite dal
settore agro-zootecnico e da quello civile
(insediamenti urbani). Il primo contribuisce con circa il
60 % dei carichi di azoto riversati in mare, il secondo
con circa il 50 % di fosforo. L'eutrofizzazione è un
fenomeno relativamente recente, compare in forma
acuta nell'Adriatico Nord - occidentale nella seconda
metà degli anni '60, si manifesta in molti altri mari nel
mondo (Chesapeake Bay - USA, Mare del Nord e Mar
Baltico, Baia di Tokio, ed altre aree).
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 La condizione che accomuna questi casi è la forte
antropizzazione del territorio conseguente ad un
rilevante sviluppo economico e sociale, ed il fatto che i
bacini idrografici che attraversano queste aree scaricano
le loro acque in mari semichiusi. E' in sostanza un
fenomeno totalmente attribuibile alla pesante presenza
dell'uomo sul territorio.
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 Il fenomeno si manifesta con alterazione del colore e
della trasparenza delle acque per le alte concentrazione
di microalghe (il cosiddetto fitoplancton) in sospensione.
Tale processo può avere ricadute sull'ambiente molto
negative; nel periodo estivo - autunnale, quando le
acque sono calde e calme e si hanno pertanto marcate
stratificazioni, si possono generare diffuse e persistenti
carenze di ossigeno nelle acque di fondo con stati di
sofferenze nelle comunità bentoniche (pesci di fondo,
molluschi, crostacei, ecc.).
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Per riuscire a ripristinare condizioni equilibrate, tali da ridurre la
frequenza dei casi acuti di eutrofizzazione senza incidere sulla
produttività/pescosità delle zone costiere, occorre mettere in atto
misure atte a ridurre i carichi delle principali sostanze
eutrofizzanti (azoto e fosforo). Dopo l'importante risultato legato
all'abbattimento del fosforo nei detersivi occorrerebbe andare
oltre con azioni ed interventi capaci di ridurre ulteriormente i
contributi di sostanze ad effetto eutrofizzante provenienti dal
settore agrozootecnico (per l'azoto) e da quello civile (per il
fosforo).
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Inquinamento da surriscaldamento
 I grandi impianti di generazione dell’energia
richiedono l’utilizzo di molta acqua calda. Se il calore
viene successivamente rilasciato in un fiume locale o
in un lago l’innalzamento risultante di temperatura può
causare danni all’ecologia del sistema.
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I Pesticidi
 L'uso dei composti agrochimici ha alterato gli ecosistemi
sia relativamente alla fauna che alla flora; le conseguenze
più rilevanti sono state: la riduzione della variabilità
genetica dei sistemi viventi, i processi di eutrofizzazione
delle acque dolci e di quelle marine, l'alterazione chimicofisica e biologica dei suoli.
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I Pesticidi
 Studi sulla diffusione, la trasformazione, la persistenza e
l'accumulazione nei tessuti di piante e animali dei prodotti chimici
impiegati nei processi agricoli, mettono in evidenza aspetti più
complessi delle interferenze indotte da tali prodotti sulle strutture e
sulle funzioni degli ecosistemi. Sempre più evidenti risultano i danni
per la salute e per l'ambiente derivanti da un eccessivo e crescente
inserimento di composti chimici in agricoltura, sia in termini di
accumulazione di residui tossici e cancerogeni nel tessuto adiposo di
uomini e animali, che di avvelenamento dei suoli, delle acque
sotterranee e di superficie etc.
 Notevoli sono i danni ambientali causati dai fertilizzanti chimici che si
aggiungono al suolo per mantenerne o aumentarne la produttività e
quindi la resa delle colture.