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CRITERI DI OTTIMIZZAZIONE PER LA MESSA IN SICUREZZA DEI SITI CONTAMINATI MEDIANTE DIAFRAMMI VERTICALI E

SISTEMI DI EMUNGIMENTO

A. DOMINIJANNI, M. MANASSERO E N. GUARENA

BARRIERE ATTIVE E PASSIVE: NUOVI MATERIALI E RECENTI SVILUPPI IN AMBITO PROGETTUALE E TECNOLOGICO

Martedì 19 Settembre 2018

RemTech Expo 2018 (19, 20, 21 Settembre) FerraraFierewww.remtechexpo.com

http://www.remtechexpo.com/

Dominijanni, Manassero e Guarena – REMTECH 2018, 19 Settembre 2018, Ferrara

da Barrier Containment

Technologies for

Environmental Remediation

Applications, edited by Rumer,

R.R., e Ryan, M.E. (1995)

BARRIERE VERTICALI E SISTEMI DI EMUNGIMENTO


Bowen, J.D., e Johnson, K.D., (1993) “Pumping or Slurry Walls - Which Works

Best for Groundwater Containment?”

“In general, for low groundwater flow velocities, the optimal solution includes only

pumping. As groundwater flow velocities increase, the most efficient solution includes

both pumping and slurry walls.”

BARRIERE VERTICALI E SISTEMI DI EMUNGIMENTO

POZZOZONA DI

CATTURA

FLUSSO

DELLA

FALDA

POZZOZONA DI

CATTURA

FLUSSO

DELLA

FALDA

BARRIERA VERTICALE


Il “Decreto del Fare” (D.Lgs. 69/2013) ha sostituito l’Art. 243 del D.Lgs.

152/2006 (“Testo Unico Ambientale”) con il seguente Articolo:

“Art. 243 (Gestione delle acque sotterranee emunte).

- 1. Al fine di impedire e arrestare l’inquinamento delle acque sotterranee nei

siti contaminati, oltre ad adottare le necessarie misure di messa in

sicurezza e di prevenzione dell’inquinamento delle acque, anche tramite

conterminazione idraulica con emungimento e trattamento, devono

essere individuate e adottate le migliori tecniche disponibili per eliminare, …

, o isolare le fonti di contaminazione dirette e indirette;…

- 2. Il ricorso al barrieramento fisico è consentito solo nel caso in cui

non sia possibile conseguire altrimenti gli obiettivi di cui al comma 1

secondo le modalità dallo stesso previste.

… ”

NORMATIVA ITALIANA


INDICE

1. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI MESSA IN

SICUREZZA CON BARRIERE VERTICALI

2. RUOLO DELLA CONDUCIBILITA’ IDRAULICA DELLE

BARRIERE VERTICALI

3. ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA

4. MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI

CONTAMINANTI (SOLUTI) ATTRAVERSO LE

BARRIERE VERTICALI

5. ANALISI DI RISCHIO


CLASSIFICAZIONE SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA

Schema di intervento di messa in sicurezza mediante barriera idraulica



Schema di intervento di messa in sicurezza con barriera verticale collocata a

monte idrogeologico dell’area inquinata



Schema di intervento di messa in sicurezza con barriera verticale collocata a

valle idrogeologica dell’area inquinata



Schema di intervento di messa in sicurezza con barriera verticale chiusa



Schema di intervento di messa in sicurezza con sistema di incapsulamento


INDICE




BARRIERE VERTICALI




BARRIERE VERTICALI



PERMEABILITA’ DELLA BARRIERA VERTICALE

CONTAMINAZIONE

h

L

PORTATA

Q

kQ

L



CONTAMINAZIONE

h

L

FLUSSO

CONVETTIVO

PORTATA

Jadad

kJ

L

kQ

L



CONTAMINAZIONE

h

ad

kJ

L

L

FLUSSO

CONVETTIVO

PORTATAk

QL

FLUSSO

DIFFUSIVO*

d

n DJ

L

Jad

Jd

C0C1 < C0



ad dJ J J 0= + =

Il perfetto intrappolamento del contaminante si ottiene

quando il FLUSSO TOTALE

*

1opt

0

Cn Dh ln

k C

= −



1 103−

0.01 0.1 1

1 105−

1 104−

1 103−

0.01

0.1

1

10

100

CONCENTRAZIONE ESTERNA RELATIVA, C1/C0

DIF

FE

RE

NZ

A D

I CA

RIC

O ID

RA

ULI

CO

OT

TIM

ALE

, h o

pt(m

)

k = 110−7 m/s

k = 110−8 m/s

k = 110−9 m/s

k = 110−10 m/s

n = 0.7, D* = 310−10 m2/s



PERMEABILITA’

BARRIERA

VERTICALE, k (m/s)

DIFFERENZA DI

CARICO IDRAULICO

OTTIMALE, hopt (m)

PORTATA DI

EMUNGIMENTO,

Q (m3m−2s−1)

110−7 0.015 2.410−9

110−8 0.15 2.410−9

110−9 1.5 2.410−9

110−10 15 2.410−9

n = 0.7, D* = 310−10 m2/s, L = 0.6 m, C1/C0 = 10−3


INDICE




BARRIERE VERTICALI




BARRIERE VERTICALI



ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA

ACQUIFERO

kaq = 510−4 m/s

Spessore Haq = 20 m

MONTE

IDROGEOLOGICO

MA

RE

FLUSSO DELLA

FALDA



POZZI DI

EMUNGIMENTOPOZZI DI

REIMMISSIONE

MONTE

IDROGEOLOGICO

MA

RE

FALDA

CONTAMINATA



POZZI DI

EMUNGIMENTOPOZZI DI

REIMMISSIONE

MONTE

IDROGEOLOGICO

MA

RE

FALDA

CONTAMINATA

BARRIERA

VERTICALE



Le analisi numeriche sono condotte per valutare la fattibilità di una barriera

verticale finalizzata al miglioramento della gestione e della sicurezza della

barriera idraulica (che anche da sola garantisce la messa in sicurezza del sito).

La realizzazione della barriera verticale permette di ottenere i seguenti risultati:

1. L’aumento delle altezze di carico lungo la batteria di pozzi di reimmissione a

parità di portata immessa o, viceversa, la riduzione delle portate di

immissione necessarie per determinare gli stessi innalzamenti della falda;

2. L’incremento delle zone di cattura dei pozzi di emungimento a parità di

portata estratta;

3. La riduzione della fuoriuscita a mare dell’acqua pulita reimmessa;

4. L’incremento della durata dei transitori nel caso di spegnimento dei pozzi

(scenario di completo black-out).



La barriera verticale è costituita da una cortina di iniezioni a bassa pressione in

canna valvolata (cosidetti “tubes à manchettes”) di miscele cementizie, integrate

con miscele silicatiche inorganiche nelle zone in cui il terreno è caratterizzato da

permeabilità inferiori a 510−4 m/s.

Spessore equivalente = 3 m

Conducibilità idraulica di progetto: 310−6 m/s



Piezometria in assenza della barriera verticale



Piezometria in presenza della barriera verticale, a parità di portate di

emungimento e reimmissione



Variazione dell’innalzamento della superficie piezometrica (in corrispondenza dei

pozzi di reimmissione), a parità di portata dei pozzi di reimmisione

0

5

10

15

20

25

1

21.01

h

IW/

hIW

,SB no barriera

barriera



Variazione del flusso in uscita verso il mare, a parità di portata dei pozzi di

reimmissione

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.01

0.80

fou

t/f

out,

SB no barriera

barriera



Variazione della portata immessa, a parità di innalzamento del livello idraulico

nei pozzi di reimmissione.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.01

0.76

Qim

me

ssa/Q

imm

ess

a, S

B

no barriera

barriera



Variazione del flusso in uscita verso il mare, a parità di innalzamento del livello

idraulico nel pozzo di reimmissione

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.01

0.04

fo

ut/f

ou

t, S

B no barriera

barriera



Portata immessa nel IW a parità di innalzamento

Flusso in uscita a parità di portata immessa

Flusso in uscita a parità di innalzamento

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

24

19.7

95.8

Pe

rce

ntu

ale

gu

adag

no

• La portata immessa in un pozzo di

reimmissione, a parità di innalzamento

della superficie piezometrica nel pozzo

stesso, subisce un decremento pari al

24%;

• La riduzione del flusso verso il mare, a

parità di innalzamento del livello

idraulico nei pozzi di reimmissione, è

pari a circa il 96%;

• Mantenendo costante la portata di

immissione, la presenza della barriera

permette di ridurre il flusso in direzione

del mare di circa il 20%.

Portata immessa in un pozzo di reimmissione, a parità di innalzamento

Flusso verso il mare a parità di portata immessa

Flusso verso il mare a parità innalzamento

Per

cent

uale

gua

dagn

o

MIGLIORAMENTO DELLA GESTIONE

DELLA MESSA IN SICUREZZA



15.8

16

16.2

16.4

16.6

16.8

17

17.2

17.4

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Car

ico

idra

ulic

o al

po

zzo

di e

mu

ngi

men

to, h

PW

[m]

Tempo, t [day]

no barriera

barriera

Variazione nel tempo del carico idraulico in corrispondenza del pozzo di

emungimento dopo lo spegnimento del pozzo stesso



Andamento della concentrazione relativa in funzione del tempo



• A seguito dello spegnimento dei pozzi (scenario di completo black-out), la

presenza della barriera ha un duplice effetto sulla risalita del livello del

carico idraulico: da un lato, comporta che il carico idraulico in condizioni di

equilibrio sia più alto di circa 70 cm rispetto al caso senza barriera e,

dall’altro, fa sì che il raggiungimento delle condizioni di equilibrio avvenga

in tempi più lunghi.

• La presenza della barriera, inoltre, limita la propagazione del contaminate.

Lo scostamento tra i tempi di fuoriuscita dei picchi di concentrazione è

notevole e permette, nel caso in cui sia presente la barriera verticale, di

disporre di un tempo aggiuntivo significativo per ripristinare il sistema di

pompaggio.

MIGLIORAMENTO DELLA SICUREZZA DELLA MESSA IN SICUREZZA


INDICE




BARRIERE VERTICALI




BARRIERE VERTICALI



h

Hh

d

Q1

Q2

MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI

( )2 2

1

k H hQ

2 L

−=

2 eQ F k h=

ke

kb

ke << kb


h

d


Schofield and Wroth (1968) (pagine 59–64

del loro libro Critical State Soil Mechanics)

x

2 20

1 1F dx

d x= +

0 5 10 15 20 25 30 350

0.5

1

1.5

2

2.5

Fat

tore

di f

orm

a, F

Profondità immorsamento, d (m)

x = 10 m

x = 50 m

x = 100 m

x = 300 mx = 500 m


CONTAMINAZIONE

h

ad

kJ

L

L

FLUSSO

CONVETTIVO

FLUSSO

DIFFUSIVO*

d

n DJ

L

Jad

Jd

C0C1 < C0


FLUSSO

DISPERSIVO ?


FLUSSO DISPERSIVO modellato come processo di

trasporto di Fick (analogia con diffusione molecolare):


m m

cJ n D

x

= −

FLUSSO DISPERSIVO-DIFFUSIVO (dispersione

idrodinamica):

( )*

h m

cJ n D D

x

= − +

hD

m

qD

n=



1

2

3

4

5

i

N

24− 22− 20− 18− 16−0

0.1

0.2

0.3

ln(k)

Fun

zion

e di

pro

babi

lità,

f

0 Li 1i i

Li

C exp(P ) CJ q

exp(P ) 1

−=

−i i

hq k

L

= i

Li *

q LP

n D

=

N

i

i 1

J

JN==

FLUSSO TOTALE



lnk= ln(10−9); lnk = COVlnk

N = 1000

n = 0.7

D* = 310−10 m2/s

h = 0.5 m

1 109−

2 109−

3 109−

4 109−

0

5

10

COVlnk = 2 %

COVlnk = 4 %

COVlnk = 6 %

COVlnk = 8 %

Conducibilità idraulica, k (m/s)

Fun

zion

e de

nsità

di p

roba

bilit

à, p

(10

8 )

1 103−

0.01 0.1 1

1− 109−

8− 1010−

6− 1010−

4− 1010−

2− 1010−

0

2 1010−

COVlnk = 0 %

COVlnk = 2 %

COVlnk = 4 %

COVlnk = 6 %

COVlnk = 8 %

Vel

ocità

del

sol

uto,

J/C

0(m

/s)

Concentrazione esterna relativa, C1/C0


INDICE




BARRIERE VERTICALI




BARRIERE VERTICALI



ANALISI DI RISCHIO

CONTAMINAZIONE

h

L

FLUSSO DI

CONTAMINANTE

Jad

Jd

C0C1 ?

ad d

0 L 1

L

J J J

C exp(P ) Cq

exp(P ) 1

= + =

−=

−

L *

q LP

n D

=


ANALISI DI RISCHIO

CONTAMINAZIONE

C0

x

y

C(x,y)

qx

FLUSSO DELLA

FALDA


ANALISI DI RISCHIO

CONTAMINAZIONE

C0

x

y

qx

FLUSSO DELLA

FALDA

L

L

P

P

x T

q e

(e 1)q

=

−

( )

x0

0 x0

2

C(x,y) CRC

C C

Yerfc exp Y X

2 X

Yerfc X

2 X

−= =

−

= − +

+

xX =

T

yY =


ANALISI DI RISCHIO

TERRENO

CONTAMINATOACQUIFERO

C0

h = 1 m

Dati della barriera verticale:

k = 510−9 m/s

L = 0.6 m

n = 0.7

D* = 310−10 m2/s = 100 m

Dati acquifero:

qx = 20 m/anno = 6.410−7 m/s

T = 1 m

y


ANALISI DI RISCHIO

TERRENO

CONTAMINATOACQUIFERO

C0

h = 1 m

0 0.5 1 1.5 20

0.05

0.1

0.15

Distanza relativa dalla barriera, YC

once

ntra

zion

e re

lativ

a, C

(X,Y

)/C

0

X = 1

X = 0.5

X = 0.1

X = 1 implica x = = 100 m

Y = 1 implica y = (T)0.5 = 10 m

y


CONCLUSIONI• L’ottimizzazione delle prestazioni dei sistemi di messa in sicurezza dei siti contaminati può

essere ottenuta combinando i sistemi di controllo della falda di tipo idraulico e le barriere

verticali a bassa conducibilità.

• I vantaggi che si posso conseguire mediante il ricorso alle barriere verticali riguardano sia

la gestione delle opere idrauliche sia il livello di sicurezza complessivo.

• La conducibilità idraulica e lo spessore della barriera, così come le portate e il numero dei

pozzi, sono definiti mediante la simulazione numerica dei processi di trasporto dei

contaminanti presenti in falda, in funzione delle prestazioni attese.

• In presenza di un sistema di controllo della falda attivo, non si hanno particolari vantaggi

dalla realizzazione di barriere verticali aventi una conducibilità idraulica molto bassa

(inferiore di più di due ordini di grandezza della conducibilità idraulica del terreno naturale).

• Il processo di trasporto per dispersione non può essere modellato in analogia con la

diffusione molecolare, nel caso in il flusso convettivo sia diretto nella direzione opposta di

quello diffusivo. In questo caso, occorre ricorrere alla modellazione stocastica della

conducibilità idraulica.

• Sono disponibili delle semplici soluzioni analitiche per un’analisi di rischio preliminare

(Livello II) nei siti in cui è ammesso un rilascio di contaminazione verso l’esterno dell’area

contaminata, purché il rischio conseguente sia accettabile.

XXV EDIZIONE DELLE CGT

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