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L’acqua
Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali
a.a. 2006-2007
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)
Docente: Chiara Mocenni
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li 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 1972Clean Water Act 1972
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li 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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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.
Nei paesi in via di sviluppo, inoltre, 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.
E 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 %.
L’acqua e la popolazione mondiale
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Nonostante il 70% della superficie terrestre sia coperta dalle 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.
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li 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%. 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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li 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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liQuantità d'acqua presenti nella Terra
* Area della superficie terrestre
1001.385.000.000Quantità totale
0,008105.000700.000Laghi salati e mari interni
97,31.348.000.000362.900.000Oceani
97,31.348.000.000362.900.000Acqua salata
1E-041.500Fiumi
1E-0413.500510.100.000 (*)Vapore atmosferico
0,00569.000130.900.000Umidità del suolo
0,009125.000830.000Laghi
0,273.740.000130.900.000In profondità comprese tra 0 e 800 m
0,347.710.000130.900.000In profondità comprese tra 800 e 4.000 m
Acqua profonda
2,0428.200.00015.100.000Ghiacci polari e ghiacciai
2,737.300.000147.900.000Acqua dolce
%Volume (Km3)Area (Km2)Voce
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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 eventuale 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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li 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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L’ossigeno disciolto
Una delle misure più importanti della qualità dell’acqua è il
quantitativo di ossigeno disciolto.
Il valore di saturazione dell’ossigeno, che dipenda 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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li 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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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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La quantità di ossigeno richiesta per ossidare la
sostanza organica si chiama domanda biochimica di
ossigeno BOD. 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
dove k è la costante di reazione.
dL tdt
=−kL t
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La soluzione dell’equazione è
dove L0 = BODt + Lt, cioè è la somma della quantità di
ossigeno consumata al tempo t (BODt) + la quantità di
ossigeno che rimane ancora da consumare.
L t=L 0 e−kt
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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. 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 legata da un lato alla
forte antropizzazione del territorio conseguente ad un rilevante
sviluppo economico e sociale, dall'altro al 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. 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 occorre ora 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 chimico-fisica e biologica dei suoli.
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.
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