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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.