Tipologia di Modelli - ARPA Basilicata

L’impossibilità, il più delle volte, di una adeguata copertura spazio-temporale da parte delle stazioni di monitoraggio, rendono le misure dei parametri ambientali insufficienti da sole a verificare il rispetto dei limiti imposti alle sorgenti esistenti o dei valori di qualità dell’aria. Diventa quindi necessaria l’adozione di strumenti aggiuntivi in grado di colmare le lacune esistenti; tali strumenti sono individuati nei modelli matematici. L’elevato dettaglio con i quali i modelli considerano le variazioni spazio-temporali delle emissioni e delle condizioni meteorologiche e la capacità di valutare l’impatto delle sorgenti emissive e di distinguerne i contributi, li rendono utili nell’individuazione di efficaci strategie ambientali.

I modelli sono solitamente utilizzati:

per interpretare dati misurati in punti prossimi alla sorgente in ambiente urbano;
per la progettazione urbanistica e per la gestione del traffico. Sono inoltre propedeutici alla stima dell’esposizione degli abitanti e di particolari categorie professionali agli inquinanti emessi dal traffico autoveicolare;
per valutazioni di impatto ambientale o per la progettazione stessa dei camini e per definire le caratteristiche quantitative e temporali dell’emissione.

Sono modelli semplici dove il calcolo della concentrazione è risolta da una singola formula analitica in cui sono inseriti i dati meteorologici e di emissione e per la loro praticità sono stati e sono tuttora molto utilizzati. Questi modelli sono adatti a simulare situazioni omogenee nello spazio e stazionarie nel tempo.

Esistono formulazioni tradizionali (modelli gaussiani), in cui la dispersione turbolenta viene parametrizzata con coefficienti empirici ricavati da campagne sperimentali (curve di Pasquill – Gifford o di Briggs), e più avanzate (modelli ibridi), in cui la dispersione viene parametrizzata direttamente in funzione dei dati meteorologici che forniscono informazioni sulla struttura termica e meccanica dei bassi strati dell’atmosfera.

Questi modelli possono essere utilizzati come primo screening per valutare l’importanza dell’impatto di una sorgente, per le simulazioni di sorgenti di modeste emissioni e qualora si disponga di pochi dati meteorologici. Utilizzando questi modelli con opzioni conservative si può valutare se passare all’uso di altri modelli più realistici e complessi qualora vengono previste condizioni critiche.

I modelli lagrangiani a particelle e quelli euleriani a griglia sono gli strumenti più avanzati per la simulazione della dispersione in atmosfera: i primi simulano la dispersione degli inquinanti emessi con particelle computazionali che si muovono nel campo di vento e di turbolenza tridimensionale, mentre i secondi risolvono numericamente l’equazione di diffusione dell’inquinante emesso nello stesso dominio tridimensionale suddiviso in griglie anche di dimensione variabile.

L’utilizzo di modelli tridimensionali, lagrangiani o euleriani, è praticamente indispensabile nel caso di simulazioni a mesoscala, in quanto occorre tenere conto della circolazione atmosferica a scala sinottica e delle sue variazioni spaziale e temporale.

Input modellistico

Le catene modellistiche, per tutte le tipologie di modelli, necessitano di dati in input per la corretta definizione delle condizioni al contorno per la risoluzione delle equazioni matematiche che caratterizzano ogni modello. Viste le numerose formulazioni dei modelli in ambito nazionale ed internazionale non esiste una caratterizzazione univoca e definita dei dati di input, tuttavia essi possono essere ricondotti alle tre categorie principali di seguito descritte.

Per i modelli più semplici (gaussiani stazionari) la lista di dati di seguito meteorologici in ingresso è sovrabbondante: infatti per tali modelli occorrono fondamentalmente le serie storiche di dati di vento e stabilità atmosferica misurate in un solo punto; per i gaussiani ibridi occorre aggiungere alcune variabili meteorologiche locali per la definizione dei parametri di scala della turbolenza, mentre i modelli delle 3D Lagrangiani ed Euleriani necessitano tutte le informazioni disponibili.

velocità e direzione del vento per la definizione del trasporto degli inquinanti; occorrono una o più misure al suolo e di profilo verticale in funzione della complessità del caso in studio;
gradiente termico verticale per la definizione delle condizioni di stabilità dell’atmosfera e per la definizione dell’altezza e intensità di inversioni termiche;
dati tradizionali al suolo quali temperatura e umidità dell’aria, radiazione solare globale e netta, precipitazione e pressione: contribuiscono insieme ai dati territoriali e agli altri dati meteorologici alla definizione delle caratteristiche diffusive dell’atmosfera;
dati meteo – sinottici per la definizione eventuale delle componenti del vento in quota e la caratterizzazione dei tipi di tempo (ad esempio, condizione anticiclonica, passaggio di perturbazioni, ecc.).

numero e localizzazione sul dominio delle sorgenti emissive;
caratteristiche geometriche degli impianti: altezza e diametro camino, larghezza e numero corsie delle strade;
temperatura e velocità di uscita dei fumi – flussi e velocità medie del traffico;
tipo e quantità degli inquinanti emessi, eventualmente in funzione del tempo;
possibili alternative per attuare un impatto minore.

cartografia – utilizzata in genere come background su cui riportare i risultati delle simulazioni e di chiara utilità per la valutazione degli impatti e delle zone a più alto rischio o di maggior attenzione ecologico (parchi, aree protette) e sanitario (zone ad alta densità di popolazione);
orografia – in presenza di rilievi occorre disporre per la definizione del campo di vento e delle concentrazioni degli inquinanti al suolo, delle quote altimetriche del sito in studio; sono disponibili base dati con risoluzione spaziale diverse a seconda delle dimensioni del dominio di calcolo dei modelli: tipicamente si passa da 100 – 200 metri per la risoluzione a scala locale, a 1-2 km per la scala regionale;
land-use – la presenza di discontinuità nel territorio induce caratteristiche dispersive differenti in atmosfera, che i modelli devono tenere in considerazione: per esempio c’è un differente input energetico nell’interazione suolo/aria o acqua/aria oppure la deposizione di inquinanti su terreno nudo è diversa da quella su bosco.

Output modellistico

I risultati ottenuti dalla esecuzione dei diversi modelli permettono di calcolare i valori di concentrazione, per ogni inquinante, in tutti i punti griglia all’interno del dominio di modellazione.

La fase successiva, ovvero la post-elaborazione dei risultati del modello di dispersione, consente di valutare gli impatti in funzione delle vigenti normative mediante un’analisi statistica che permette di confrontare direttamente i risultati derivanti dalle simulazioni con i valori limite di legge, definiti dal D.Lgs 155/2010 oltre a consentire la verifica degli impatti, in situazioni ordinarie e/o di anomalie, di impianti dì rilievo nelle aree industriali della regione e per la verifica in contraddittorio degli Studi di Impatto Ambientale

E’ proprio dalla fase di post-elaborazione che vengono ricavate le mappe di dispersione degli inquinanti che non sono altro che la rappresentazione grafica dei risultati numerici forniti dal modello.

Infatti, solo in base a questi ultimi possono essere effettuate le analisi statistiche normative che consentono tutte le valutazioni ivi incluse quelle necessarie al monitoraggio ed alla pianificazione.

I risultati delle simulazioni consentono inoltre, attraverso una valutazione delle grandezze meteorologiche primitive e derivate, la corretta interpretazione dei risultati di dispersione. In quest’ottica l’analisi dei parametri meteo deve sempre accompagnarsi ad un studio di dispersione.