4.1 Geometria 4. Calibrazione

(1)

4. Calibrazione

4.1 Geometria

I laghi Shichahai sono stati introdotti nel modello come unico waterbody con singolo branch longitudinale, riproducente lo sviluppo in serie dell’asse centrale dei tre laghetti.

Il branch è costituito da otto segments, due di confine, in testa e in coda, e sei attivi.

Il primo segmento attivo rappresenta il lago Xihai, i tre successivi lo Houhai e gli ultimi due segmenti attivi il Qianhai.

La lunghezza di ciascun segmento è specificata nel bathymetry file.

La superficie d’acqua all’inizio della simulazione si trova ad una quota di 45,54 metri sopra il l.m.m.; la profondità massima di 2.28 metri è raggiunta nel lago centrale.

La pendenza di fondo è considerata nulla.

Nella griglia computazionale i segments sono suddivisi in celle dai layers. I layers sono cinque ed hanno altezza pari ad un metro; due sono di confine, uno in alto e l’altro in basso, mentre gli altri hanno ampiezza diversa da zero.

Per determinare l’ampiezza laterale media delle celle, abbiamo sezionato i laghi con piani orizzontali (paralleli al fondo) alle profondità di 0.00 m, 1.00 m, 2.00 m. Dividendo le superfici così ottenute per la lunghezza del segmento in esame, si sono ricavate le ampiezze laterali medie della celle attive costituenti il segmento stesso.

(2)

XIHAI

Segment 2:

2

(3)

HORIZONTAL SECTION AT DEPTH = 1m

(4)

HOUHAI

Segments

3

4

5 Segment 3:

SURFACE LAYER

(5)

HORIZONTAL SECTION AT DEPTH = 1m

(6)

Segment 4:

SURFACE LAYER

(7)

HORIZONTAL SECTION AT DEPTH = 2m

Segment 5:

(8)

HORIZONTAL SECTION AT DEPTH = 1m

(9)

QIANHAI

Segments

6 7

Segment 6:

SURFACE LAYER

(10)

HORIZONTAL SECTION AT DEPTH = 1m

(11)

Segment 7:

SURFACE LAYER

(12)

HORIZONTAL SECTION AT DEPTH = 2m

Ricavate le ampiezze medie, è stata completata la schematizzazione geometrica dei laghi prevista dal modello per la simulazione.

Tutti gli input files utilizzati per le nostre simulazioni sono riportati in allegato. Come esempio, in figura 4.1 è riprodotto il file batimetrico (Allegato A).

Bathymetry file for waterbody 1 DLX 100.000 512.300 414.280 295.100 508.060 358.300 290.020 100.000 ELWS 45.5400 45.5400 45.5400 45.5400 45.4500 45.5400 45.5400 45.5400 Angle 5.14000 5.14000 5.14000 5.14000 5.14000 5.14000 5.14000 5.14000 Friction 70.0000 70.0000 70.0000 70.0000 70.0000 70.0000 70.0000 70.0000 DZ 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 Width of Segment #1

(13)

Width of Segment #2 0.00000 140.830 136.900 6.00000 0.00000 Width of Segment #3 0.00000 215.033 215.033 11.3000 0.00000 Width of Segment #4 0.00000 157.400 157.400 9.00000 0.00000 Width of Segment #5 0.00000 153.559 153.559 12.3333 0.00000 Width of Segment #6 0.00000 102.500 102.500 10.0000 0.00000 Width of Segment #7 0.00000 180.320 180.320 12.1000 0.00000 Width of Segment #8 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000

Fig.4.1 Bathymetry file

4.2 Dati

meteorologici

Il “meteorological file” è un altro input file in cui sono richieste le seguenti informazioni:

- temperatura dell’aria per tutti i giorni dell’anno, con frequenza giornaliera o anche maggiore;

- temperatura di rugiada per tutti i giorni dell’anno, con frequenza giornaliera o anche maggiore;

- velocità del vento per tutti i giorni dell’anno, con frequenza giornaliera o anche maggiore;

- direzione del vento per tutti i giorni dell’anno, con frequenza giornaliera o anche maggiore;

- grado di copertura del cielo per tutti i giorni dell’anno, con frequenza giornaliera o anche maggiore.

Questi dati sono stati ricavati da siti meteorologici ufficiali locali. [10]

Disponendo di valori medi mensili, abbiamo deciso di scrivere i dati nel file meteorologico con frequenza giornaliera, avendo in questo modo valore uguale tutti i giorni appartenenti allo stesso mese (Allegato B).

(14)

4.3 Ingressi e uscite

Come illustrato al capitolo 2, i laghi Shichahai sono oggi un sistema acquatico a debole ricambio. Gli ingressi e le uscite sono controllati da autorità di governo idraulico localie non ne conosciamo né entità né frequenze.

L’affermazione di corpo idrico con acqua stagnante o quasi deriva dall’aver sempre riscontrato debolissime correnti nei piccoli canali di collegamento tra i laghi e viene confermata dall’eutrofizzazione in atto.

Le uscite simulate sono due:

- l’evaporazione: l’entità di questo parametro è calcolata automaticamente dal modello sulla base dei dati meteorologici;

- le portate uscenti: nei vari scenari di calibrazione sono state introdotte delle portate uscenti, distribuite variamente nell’anno, nel tentativo di riprodurre la reale regolazione del lago e il suo attuale stato di qualità.

Gli ingressi sono due:

- le precipitazioni: sulla base dell’altezza di pioggia mensile, mediata su più anni per ogni mese, sono stati ricavati i valori dell’intensità di pioggia da introdurre nel pre.npt file (Allegato C);

- le immissioni: per preservare il paesaggio e la funzione ricreativa che il lago riveste nel centro di Pechino, è necessario ripristinare il deficit di acqua causato dal fatto che nella città l’altezza di evaporazione media annua è maggiore dell’altezza di pioggia media annua. Il deficit si manifesta con un abbassamento del livello idrico; in base ai dati della campagna di monitoraggio la differenza tra livello minimo e massimo nel lago non supera mai i 30 cm. Così, nella nostra simulazione, abbiamo considerato delle piccole portate in ingresso, la cui frequenza e intensità è stata stabilita sulla base del principio di ripristinare, alla fine di ogni mese, il livello del lago come in origine alla simulazione (Allegato D). Inoltre sono state introdotte delle portate in ingresso, distribuite variamente nei diversi scenari simulati, nel tentativo di riprodurre la reale regolazione del lago.

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4.4 Condizioni

iniziali

La temperatura iniziale dell’acqua e la concentrazione iniziale dei costituenti computati possono essere espressi in tre modi: con valore costante, con profilo verticale (un valore per ogni layer attivo) o con profilo longitudinale (un valore per tutte le celle attive).

Poiché i dati di qualità dell’acqua che la campagna di monitoraggio ci fornisce sono stati rilevati a circa 50 cm di profondità dalla superficie, abbiamo scelto di individuare temperatura iniziale e concentrazione iniziale dei costituenti con un singolo valore, costante longitudinalmente e verticalmente, pari alla media dei valori rilevati nei 28 punti di monitoraggio (Allegato E).

E’ necessario sottolineare che nel modello abbiamo ipotizzato la comunità algale interamente composta da microalghe. I valori monitorati di concentrazione algale sono stati introdotti per metà come alghe verdi e per l’altra metà come cianobatteri.

4.5 Temperatura e composizione della pioggia

La temperatura della pioggia è assunta pari a quella dell’aria (Allegato F). La sua composizione, invece, è stata scelta sulla base dei dati relativi alle precipitazioni nella città di Pechino (Allegato G). [11], [12]

4.6 Temperatura e composizione delle portate in ingresso

Attualmente non disponiamo di dati relativi alla qualità dell’acqua in ingresso. Tuttavia abbiamo ipotizzato, con sufficiente ragionevolezza, che i dati di qualità delle portate entranti possano essere considerati coincidenti con quelli rilevati, durante l’arco di un anno, nel punto di monitoraggio del lago Xihai più vicino al canale di immissione (Allegati H e I).

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4.7 Il

tempo

La nostra simulazione ha inizio il 15 marzo 2007 e viene protratta negli anni fino all’ottenimento della costanza delle variabili computate, ovvero fino al raggiungimento di una condizione di equilibrio dei laghi.

La data di partenza è stata scelta perché rappresenta il primo giorno dell’anno 2007 in cui il sistema di monitoraggio ci fornisce i dati necessari per dare inizio alla simulazione con il modello in esame.

Va inoltre precisato che, non avendo alcuna informazione relativa all’entità dei sedimenti attualmente presenti sul fondo dei laghi, abbiamo introdotto una concentrazione iniziale nulla. Questa scelta contribuisce ad incrementare il numero di anni (15-20) necessari a raggiungere una situazione di regime che riproduca lo stato di fatto.

4.8 L’ Ecosistema acquatico

Alghe

Il modello permette di introdurre nell’ecosistema acquatico riprodotto uno o più gruppi algali, in base alle caratteristiche del corpo in esame. Nelle nostre simulazioni abbiamo computato due gruppi di microalghe, alghe verdi e cianobatteri, organismi che con maggiore probabilità popolano ambienti lacustri come quello in esame. Gli indici algali di crescita, mortalità, escrezione, respirazione e sedimentazione si distinguono per i due differenti gruppi e sono il risultato di valori mediati su un range di dati forniti dalla letteratura. La temperatura influenza con modalità diverse le cinetiche dei due gruppi simulati ed è il principale parametro che governa l’evoluzione della comunità algale. I cianobatteri si caratterizzano per avere cinetiche più veloci a temperatura più elevate rispetto agli altri gruppi algali.

Zooplancton

CE-Qual-W2 permette la simulazione degli organismi zooplanctonici. Nell’applicazione del modello alla realtà in esame in questa tesi non è stato introdotto lo zooplancton; infatti, non disponendo di dati sulla sua

(17)

concentrazione, si è ipotizzato che, attualmente, la sua presenza nei tre laghetti sia limitata a causa della cattiva qualità dell’acqua.

Macrofite

Come già illustrato al capitolo dedicato al modello, nelle simulazioni possono essere introdotte le macrofite, ipotizzate radicate al fondo, da dove ha inizio il loro sviluppo verso l’alto. A riguardo va sottolineato che i tre laghetti costituiscono un sistema completamente antropizzato e artificiale, sia da un punto di vista idraulico che geologico. Le sue sponde sono completamente rivestite con materiale artificiale. Non avendo perciò sponde naturali, la profondità dell’acqua non accresce progressivamente dalle rive verso il centro del lago, ma al confine con le sponde già si aggira intorno ad un metro. In queste condizioni non si possono sviluppare macrofite radicate. Infatti a tale profondità si hanno problemi in termini di diffusione di ossigeno. Inoltre, data la torbidità e lo stato eutrofico dell’acqua, la luce solare penetra al massimo fino a 30-50 cm al di sotto della superficie; perciò sul fondo del lago non può avvenire nessuna reazione fotosintetica che possa sviluppare e accrescere piante acquatiche.

4.9 Scenari

simulati

1) Alimentazione nulla

Nella prima simulazione effettuata abbiamo introdotto, come condizione al contorno, portate in entrata ed in uscita nulle. Unica eccezione è rappresentata da piccole portate impulsive, introdotte nel sistema laghi alla fine di ogni mese per ripristinarne il livello. Questo scenario è stato scelto in base al fatto che l’acqua, nei laghi e nei canali di collegamento tra essi, appare stagnante.

Interessantissimi sono i risultati ottenuti da questa prima applicazione.

Riportiamo in fig. 4.2 i profili di simulazione per alghe verdi, cianobatteri e fosforo disciolto. Essi sono messi a confronto con i dati monitorati per i medesimi costituenti illustrati. A questo proposito è necessaria e doverosa una precisazione. I campioni rilevati sono stati estratti ad una profondità di circa 50 cm; perciò essi sono rappresentativi del primo layer. Di conseguenza per il secondo ed il terzo layer, dal momento che le microalghe galleggiano in

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superficie, nello scenario di calibrazione dobbiamo ottenere valori di concentrazioni algali minori rispetto a quelli monitorati. Per il fosforo disciolto vale l’opposto. Infatti, soprattutto nel periodo estivo, gran parte di esso proviene dall’attività batterica al fondo. Perciò, per il secondo ed il terzo layer, dobbiamo ottenere concentrazioni maggiori di quelle monitorate.

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Alghe verdi

Seg_2 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 1-gen 16-gen 31-gen 15-fe b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15-ap r 30-ap r 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-ago 28-ago 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

Position 1 Position 2 Position 3 Position 4 Position 5 Position 6 Position 7 Position 8 layer1 layer2 layer3

Seg_3 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 1-ge n 16-g e n 31-g e n 15-fe b 1-m a r 16 -m a r 31 -m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-a g o 28-a g o 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

Position 9 Position 10 Position 11 layer1 layer2 layer3

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Seg_5 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 1-ge n 16-g e n 31-g e n 15-fe b 1-m a r 16 -m a r 31 -m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-a g o 28-a g o 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

Position 15 Position 16 Position 17 Position 18 layer1 layer2 layer3

Seg_7 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 1-gen 16-gen 31-gen 15 -f e b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14 -g iu 29 -g iu 14 -l u g 29 -l u g 13-ago 28-ago 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11 -d ic 26 -d ic

Position 23 Position 24 Position 25 Position 26 Position 27 Position 28 layer1 layer2 layer3

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Cianobatteri

Seg_2 0 5 10 15 20 25 30 1-gen 16-gen 31-gen 15-fe b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15-ap r 30-ap r 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-ago 28-ago 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c

Seg_3 0 5 10 15 20 25 30 1-ge n 16-g e n 31-g e n 15-fe b 1-m a r 16 -m a r 31 -m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-a g o 28-a g o 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

(22)

Seg_5 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 1-ge n 16-g e n 31-g e n 15-fe b 1-m a r 16 -m a r 31 -m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-a g o 28-a g o 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

Seg_7 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 1-gen 16-gen 31-gen 15 -f e b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14 -g iu 29 -g iu 14 -l u g 29 -l u g 13-ago 28-ago 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11 -d ic 26 -d ic

Position 23 Position 24 Position 25 Position 26 position 27 Position 28 layer1 layer2 layer3

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Fosforo disciolto

Seg_2 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1-gen 16-gen 31-gen 15-fe b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-ago 28-ago 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

Position 1 Position 2 POsition 3 POsition 4 Position 5 Position 6 Position 7 Position 8 layer1 layer2 layer3

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Seg_7 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1-gen 16-gen 31-gen 15 -f e b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14 -g iu 29 -g iu 14 -l u g 29 -l u g 13-ago 28-ago 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11 -d ic 26 -d ic

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Il primo evidente risultato è la grande differenza tra i profili reali monitorati e quelli simulati dal modello. Questo implica che le nostre ipotesi iniziali siano distanti dalla situazione reale. Lo scenario rappresentato non può quindi essere una calibrazione.

Il secondo risultato che emerge dall’osservazione dei precedenti grafici è la netta prevalenza dei cianobatteri all’interno della comunità microalgale. Soprattutto le temperature estive favoriscono la cinetica dei cianobatteri, ma il loro sviluppo è sempre preponderante durante tutto l’anno. Ciò evidenzia da un lato una grande compatibilità tra le cinetiche di tali batteri e la situazione climatica in esame, dall’altro lato la loro capacità di sopravvivere in ambienti acquatici di qualità molto bassa.

Al contrario le alghe verdi, in queste condizioni meteorologiche, presentano cinetiche più lente e il loro sviluppo viene così ostacolato dal veloce accrescimento dei cianobatteri. Negli scenari successivi riporteremo solamente i profili di simulazione per cianobatteri e fosforo disciolto.

Il terzo aspetto degno di nota è illustrato nei grafici del fosforo disciolto. I profili relativi alle varie profondità rivelano una stratificazione del fosforo disciolto in estate, con concentrazioni maggiori al fondo. Tutto ciò trova una chiara giustificazione nel fatto che nei mesi più caldi è maggiore l’attività batterica; questi organismi demolitori sintetizzano la sostanza organica morta sedimentata sul fondo, trasformando in particolare il fosforo organico in fosfato (fosforo disciolto). Inoltre la stratificazione, dovuta alla differenza di temperatura tra gli strati superficiali e quelli profondi, non permette la circolazione verticale dell’acqua e dei nutrienti, che rimangono confinati al fondo. Questo spiega da una parte la stratificazione della concentrazione, dall’altra i maggiori valori che di essa si verificano nei mesi estivi.

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2) Alimentazione continua

La ricerca delle condizioni al contorno che permettano di riprodurre la situazione monitorata ha reso necessaria la simulazione di nuovi scenari.

Il secondo tentativo di calibrazione del modello è stato effettuato garantendo al sistema laghi una portata in ingresso ed in uscita continua e costante per tutto l’anno, pari a 250 l/s. In ingresso al sistema sono state anche alimentate, alla fine di ogni mese, le portate impulsive necessarie a ripristinare il livello.

Interessanti sono i risultati ottenuti dalla simulazione, che permettono di confrontare gli scenari opposti di alimentazione nulla e alimentazione continua. I grafici di figura 4.3 ne illustrano gli andamenti.

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Cianobatteri

Seg_2 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 1-gen 16-gen 31-gen 15-fe b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15-ap r 30-ap r 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-ago 28-ago 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

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Fosforo disciolto

Seg_2 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 1-gen 16-gen 31-gen 15-fe b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-ago 28-ago 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

Position 1 Position 2 POsition 3 POsition 4 Position 5 Position 6 Position 7 Position 8 layer1 layer2 layer3

Seg_3 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 1-ge n 16-g e n 31-g e n 15-fe b 1-m a r 16 -m a r 31 -m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-a g o 28-a g o 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

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Seg_7 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 1-gen 16-gen 31-gen 15 -f e b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14 -g iu 29 -g iu 14 -l u g 29 -l u g 13-ago 28-ago 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11 -d ic 26 -d ic

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Il tempo di ricambio dell’intero sistema è pari a circa un mese. Le alghe non hanno cinetiche così veloci da potersi riprodurre nel breve periodo di residenza dell’acqua nei laghetti. Inoltre gran parte delle microalghe, galleggiando in prossimità della superficie, vengono asportate con la portata continua in uscita dal sistema laghi. Conseguentemente durante l’intero anno le concentrazioni di alghe verdi e cianobatteri sono basse, ma soprattutto sono minori di quelle monitorate. Anche questo scenario non può quindi rappresentare lo scenario di calibrazione.

Un’ulteriore osservazione necessaria riguarda l’andamento della concentrazione di fosforo disciolto. Se ne osserva un accumulo rilevante nel sistema laghi rispetto al primo scenario simulato. Le portate in ingresso sono inquinate e contengono fosforo disciolto. Questo solo in parte viene asportato dalle portate in uscita. Infatti, transitando nei tre laghi, il componente, oltre ad essere utilizzato dai produttori primari ed introdotto nella catena alimentare dell’ecosistema acquatico, viene adsorbito dai solidi sospesi e con essi sedimenta accumulandosi nel lago. Questo fenomeno necessita di una particolare attenzione. Infatti, nelle condizioni di regolazione in esame, un accumulo così elevato di fosforo non dà problemi eutrofici perché le alghe non hanno comunque il tempo necessario per riprodursi e accrescersi cospicuamente; ma, qualora si avesse la necessità di interrompere la circolazione e di chiudere le paratoie di monte e di valle, immediatamente si manifesterebbero gli effetti dannosi di una così cospicua presenza di fosforo disciolto. Infatti le microalghe, non venendo più asportate con le portate in uscita, potrebbero riprodursi e accrescere a dismisura, data la disponibilità di fosforo. E’ perciò vivamente sconsigliabile alimentare una portata continua al sistema, che abbatterebbe le manifestazioni più evidenti del processo eutrofico nell’immediato, ma che ne provocherebbe di più gravose e irreparabili nel lungo periodo.

Sulla base dei risultati antitetici ottenuti dai primi due scenari, il processo di calibrazione è continuato simulandone di nuovi con situazioni al contorno mediate tra quelle già analizzate.

Per queste simulazioni intermedie riporteremo l’andamento annuale di cianobatteri e fosforo disciolto solamente per il quarto segmento, al centro del

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lago Houhai, con lo scopo di consentire una lettura più rapida ed un confronto diretto dei risultati ottenuti. Inoltre gli andamenti delle concentrazioni non variano molto da segmento a segmento per ciascun scenario.

3) Alimentazione continua a settembre

Un terzo scenario, che si colloca tra i due già illustrati, ha analizzato un sistema di regolazione con portate entranti ed uscenti continue e costanti di 250 l/s, alimentate nel solo mese di settembre.

I grafici di figura 4.4 ne illustrano i risultati.

Nel mese di settembre si verifica il ricambio della quasi totalità delle acque dei tre laghetti. Il fosforo in forma disciolta viene trasportato dalle correnti uscenti e di conseguenza si verifica, nello stesso mese, una netta diminuzione della concentrazione di tale costituente all’interno del sistema. Al termine del periodo di alimentazione la paratoia di valle viene chiusa ed il fosforo disciolto, introdotto dalle portate entranti inquinate nei giorni terminali del mese di settembre, resta intrappolato all’intero dei tre laghi. Questo accumulo viene ben evidenziato dalla crescita repentina e rilevante di fosforo disciolto nella prima metà del mese di ottobre, dopodichè la concentrazione torna a diminuire fino a valori molto bassi e coincidenti con quelli del primo scenario di alimentazione nulla. Il fosforo disciolto introdotto nel sistema laghi viene in parte utilizzato dai consumatori primari e trasformato in fosforo organico, entrando a far parte dell’ecosistema acquatico; in parte viene invece adsorbito dai solidi sospesi e con essi sedimenta sul fondo. La disponibilità di tale costituente al termine del periodo di regolazione determina una crescita dei cianobatteri rispetto al primo scenario, mentre invece a settembre la concentrazione microalgale si rivela minore, risultato facilmente riconducibile al fatto che le microalghe, galleggiando in superficie, vengono trascinate dalle portate uscenti.

Altre osservazioni sono richieste per i profili ottenuti nel periodo primaverile ed estivo. Innanzitutto si deduce che il fosforo totale, in forma organica ed in forma disciolta, asportato dal sistema acquatico a settembre, è sicuramente maggiore di quello introdotto dalle portate inquinate negli ultimi giorni dello stesso mese. Infatti si ha una lieve diminuzione della massima concentrazione annuale di microalghe rispetto alla situazione di alimentazione assente. Inoltre, dalla metà di giugno fino alla metà di agosto, la quantità di cianobatteri è nettamente

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diminuita, per poi crescere bruscamente e per pochi giorni alla fine di agosto, probabilmente in conseguenza ad una nuova disponibilità di fosforo disciolto rilasciato dai sedimenti. Osserviamo, in accordo a quanto detto precedentemente, che la concentrazione di fosforo disciolto a giugno e a luglio è nettamente diminuita.

Cianobatteri

Fosforo disciolto

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4) Alimentazione continua a settembre e metà ottobre

Il quarto scenario simulato prevede un sistema di regolazione con portate entranti ed uscenti continue e costanti di 250 l/s, alimentate a settembre e nella prima metà di ottobre.

I risultati sono illustrati nei grafici di figura 4.5.

Valgono le stesse considerazioni elaborate per lo scenario precedente con alimentazione nel solo mese di settembre. Tuttavia occorre evidenziare che la concentrazione massima annuale di microalghe è ulteriormente diminuita, anche se solo di uno o due mg/l. Inoltre la presenza dei cianobatteri è minore per tutto il periodo estivo ed il picco di concentrazione a metà agosto si è dimezzato. In contrasto con questi risultati positivi, si verifica anche in questo caso, al termine del periodo di alimentazione, un incremento di fosforo disciolto eccessivo che, se da un lato si discosta notevolmente dalla realtà monitorata, dall’altro lato denota l’ingresso nell’ecosistema acquatico di enormi quantità del nutriente. Gli effetti negativi di tutto ciò non emergono dai risultati, come si deduce dal fatto che le alghe non si accrescono ma, al contrario, la loro concentrazione diminuisce. La spiegazione potrebbe nascondersi nel fatto che il modello, non simulando perfettamente l’evoluzione dell’ecosistema acquatico, non evidenzia nel breve periodo gli effetti dannosi di un’introduzione così cospicua di fosforo.

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Cianobatteri

Seg_4 0 5 10 15 20 25 1-ge n 16-g e n 31-g e n 15-fe b 1-m a r 16 -m a r 31 -m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-a g o 28-a g o 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

Fosforo disciolto

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5) Alternanza annuale tra alimentazione continua a settembre ed ottobre ed alimentazione nulla

Il quinto scenario simulato prevede un sistema di regolazione alternato annualmente, da un lato con un’alimentazione nulla e dall’altro con un’alimentazione con portate entranti ed uscenti continue e costanti di 250 l/s, alimentate nei mesi di settembre ed ottobre.

I profili rivelano concentrazioni di fosforo disciolto inammissibili ed una conseguente crescita algale rispetto alle due simulazioni precedenti.

Le successive simulazioni escluderanno il mese di ottobre dal periodo di alimentazione, perché apporta effetti negativi ai fini della calibrazione, e saranno dirette all’abbassamento della concentrazione microalgale in primavera, senza apportare conseguenze negative in termini di eccessivo accumulo di fosforo. Per l’abbattimento della concentrazione dei cianobatteri nei mesi estivi, si terranno presenti i buoni risultati ottenuti consentendo il ricambio idrico a settembre.

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Cianobatteri

Fosforo disciolto

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6) Alimentazione continua a marzo e settembre

Il sesto scenario simulato prevede un sistema di regolazione con portate entranti ed uscenti continue e costanti di 250 l/s, alimentate nei mesi di settembre e marzo.

Si osserva un andamento del fosforo disciolto molto prossimo a quello dello scenario con alimentazione nel solo mese di settembre, con concentrazioni di poco maggiori a giugno e a luglio. Questo significa che la concentrazione di fosforo disciolto alla fine del mese di marzo, apportato dalle portate entranti che restano intrappolate nel sistema a causa della chiusura della paratoia di valle, risulta di poco superiore a quella che si avrebbe se le paratoie rimanessero chiuse per tutto il mese. La maggiore, se pur di poco, disponibilità di fosforo in forma di ortofosfati produce, nei mesi successivi all’alimentazione, una lieve crescita della concentrazione algale rispetto al precedente scenario, preso come termine di paragone. Al contrario il picco di concentrazione di cianobatteri, che si verifica bruscamente alla metà di agosto, risulta essere inferiore di 5 mg/l rispetto allo stesso scenario.

Da tutto ciò si evince che, ai fini della diminuzione della presenza di microalghe nel periodo primaverile, l’alimentazione a marzo non produce alcun risultato.

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Cianobatteri

Fosforo disciolto

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7) Alimentazione continua ad agosto e settembre

Il settimo scenario simulato prevede un sistema di regolazione con portate entranti ed uscenti continue e costanti di 250 l/s, alimentate nei mesi di agosto e settembre.

Con riferimento ai risultati relativi ad alimentazione nel solo mese di settembre, sono evidenti i miglioramenti ottenuti, anche se la simulazione fornisce prospetti ancora lontani dalla realtà monitorata. La massima concentrazione algale, che si verifica alla fine di aprile, è diminuita; ma un’evidente diminuzione si rileva anche per tutti gli altri mesi, con particolare attenzione ai mesi di giugno, luglio e agosto. Ulteriore risultato importantissimo è la parallela diminuzione del fosforo disciolto durante tutto il corso dell’anno. La spiegazione di questo contemporaneo abbattimento delle due concentrazione è legata al fatto che la nostra comunità algale è ipotizzata, con buona approssimazione alla realtà, essere composta da due gruppi di microalghe, alghe verdi e cianobatteri, organismi galleggianti che si trovano quindi in prossimità della superficie. Aprendo la paratoia a valle in agosto, quando la concentrazione algale è rilevante perché le temperature estive ne favoriscono la cinetica, si verifica il ricambio idrico dei laghetti e, con le portate uscenti, vengono asportate anche microalghe e sostanze organiche morte ma non ancora sedimentate. Tutto ciò, oltre a ripulire il lago dagli organismi vegetali proprio in uno dei periodi in cui questi si manifestano con maggiore invasività, produce una perdita rilevante di fosforo disciolto ma soprattutto organico, che fuoriuscendo dal sistema laghi, viene detratto alla catena alimentare dell’ecosistema acquatico.

Gli scenari successivi non potranno prescindere dagli ottimi risultati che produce l’apertura delle paratoie nel mese di agosto.

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Cianobatteri

Fosforo disciolto

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8) Alimentazione continua a luglio e ad agosto

L’ottavo scenario simulato prevede un sistema di regolazione con portate entranti ed uscenti continue e costanti di 250 l/s, alimentate nei mesi di luglio ed agosto.

Con riferimento ai risultati relativi allo scenario precedente, si evidenzia una crescita della concentrazione algale a giugno e a luglio, conseguenza di una maggiore disponibilità di fosforo nella forma disciolta, alimentato con le portate in ingresso in questi mesi o derivante dall’attività degli organismi decompositori. La massima concentrazione di fosforo disciolto è diminuita ed è scomparso il picco localizzato nei primi giorni di ottobre e determinato dall’interruzione dell’alimentazione alla fine di settembre.

Quindi lo scenario in esame produce miglioramenti in termini d concentrazione di fosforo, ma non determina gli effetti desiderati sulla concentrazione algale.

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Cianobatteri

Fosforo disciolto

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9) Alimentazione continua ad aprile, luglio ed agosto

Il nono scenario simulato prevede un sistema di regolazione con portate entranti ed uscenti continue e costanti di 250 l/s, alimentate nei mesi di aprile, luglio ed agosto.

Evidenti sono i miglioramenti apportati dall’apertura delle paratoie nel mese di aprile. La concentrazione algale è diminuita, non solo ad aprile, grazie al ricambio idrico ed all’asportazione con le portate in uscita della biomassa algale, ma anche in tutto il periodo primaverile ed estivo. Infatti la fuoriuscita della materia organica dal sistema laghi determina la perdita di cospicue quantità di fosforo in forma organica, detratto definitivamente alla catena alimentare dell’ecosistema acquatico. I profili di concentrazione di fosforo disciolto ne evidenziano una netta diminuzione rispetto allo scenario precedente ed indicano come le quantità entranti con le portate alimentate non compensino il deficit generato da una ridotta attività batterica al fondo.

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Cianobatteri

Seg_4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1-ge n 16-g e n 31-g e n 15-fe b 1-m a r 16 -m a r 31 -m a r 15-apr 30-apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13-a g o 28-a g o 12-s e t 27-s e t 12-ot t 27-ot t 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

Fosforo disciolto

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10) Alimentazione continua ad aprile, giugno, luglio e agosto

Il decimo scenario simulato prevede un sistema di regolazione con portate entranti ed uscenti continue e costanti di 250 l/s, alimentate nei mesi di aprile, giugno, luglio ed agosto.

L’alimentazione a giugno produce effetti negativi in termini di massima concentrazione algale e di presenza di cianobatteri in tutto il periodo primaverile. Al contrario, la massima concentrazione di fosforo disciolto diminuisce ed i profili meglio riproducono lo scenario monitorato; ma la maggiore disponibilità del nutriente in forma disciolta nei mesi primaverili, risultato degli apporti delle portate in ingresso inquinate, giustifica la maggiore crescita algale in questo periodo. Concludendo, l’apertura delle paratoie a giugno consente di asportare altra biomassa dal sistema laghi e con essa rilevanti quantità di fosforo in forma organica, producendo un effetto positivo in termini di bilancio totale del nutriente nei tre laghetti. Tuttavia le portate entranti dalla paratoia di monte consentono una maggiore disponibilità di fosforo nella forma disciolta rispetto allo scenario precedente, con le conseguenti inevitabili ripercussioni sull’entità della crescita algale in questo periodo.

Risultati simili sono stati evidenziati da un ulteriore scenario di simulazione con alimentazione nei mesi di aprile, maggio, luglio e agosto.

Per questo motivo l’alimentazione a maggio e a giugno sarà esclusa dalle successive simulazioni.

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Cianobatteri

Seg_4 0 5 10 15 20 25 1-g e n 16 -g e n 31 -g e n 15-fe b 1-m a r 16 -m ar 31 -m ar 15 -a p r 30 -a p r 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13 -a g o 28 -a g o 12 -s e t 27 -s e t 12-ot t 27-ot t 11 -no v 26 -no v 11-di c 26-di c

Fosforo disciolto

Seg_4 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 1-g e n 16 -g e n 31 -g e n 15-fe b 1-m a r 16 -m ar 31 -m ar 15 -a p r 30 -a p r 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 13 -a g o 28 -a g o 12 -s e t 27 -s e t 12-ot t 27-ot t 11 -no v 26 -no v 11-di c 26-di c

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11.1) Alimentazione continua ad aprile, luglio, agosto e settembre

L’undicesimo scenario simulato prevede un sistema di regolazione con portate entranti ed uscenti continue e costanti di 250 l/s, alimentate nei mesi di aprile, luglio, agosto e settembre.

Con riferimento ai profili del nono scenario, è diminuita la concentrazione algale ad aprile e settembre, a scapito di un lieve aumento nel periodo estivo. La concentrazione massima annuale di fosforo disciolto è diminuita, ma soprattutto è diminuita la concentrazione in tutto il periodo estivo.

Occorre evidenziare che, negli scenari nono e undicesimo, l’alimentazione continua nei mesi primaverili ed estivi crea turbolenza all’interno dei tre laghi, rompendo la stratificazione delle acque tipica dei mesi più caldi. Di conseguenza, appare chiaro come i profili di simulazione non forniscano un gradiente verticale delle concentrazioni di fosforo disciolto. Infatti nei tre layers attivi troviamo concentrazioni simili del costituente per gran parte dell’anno.

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Cianobatteri

Seg_4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1-gen 16 -g en 31 -g en 15 -f e b 1-m a r 16 -m a r 31 -m a r 15 -a pr 30 -a pr 15 -m ag 30 -m ag 14 -g iu 29 -g iu 14 -l u g 29 -l u g 13 -a go 28 -a go 12 -s et 27 -s et 12 -o tt 27 -o tt 11 -n o v 26 -n o v 11 -d ic 26 -d ic

Fosforo disciolto

Seg_4 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 1-ge n 1 6-ge n 3 1-ge n 15 -f eb 1-m a r 16 -m a r 31 -m a r 1 5-ap r 3 0-ap r 15 -m a g 30 -m a g 14 -g iu 29 -g iu 14 -l u g 29 -l u g 1 3-ag o 2 8-ag o 1 2-s e t 2 7-s e t 12-ot t 27-ot t 11 -no v 26 -no v 11 -d ic 26 -d ic

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11.2) Alimentazione continua ad aprile, luglio, agosto e settembre

I risultati degli scenari precedenti evidenziano che l’accostamento migliore tra profili simulati e dati monitorati si ottiene con un’alimentazione continua ad aprile, luglio, agosto e settembre. Non sono mai stati simulati scenari con alimentazione nei mesi invernali. Questa ipotesi non avrebbe infatti rispecchiato la realtà in esame; infatti in questo periodo i tre laghi sono ghiacciati.

Per migliorare ulteriormente i risultati, abbiamo provato ad intervenire su altri parametri di ingresso. Dopo vari tentativi, lo scenario che meglio riproduce la situazione reale è risultato essere il seguente:

- alimentazione continua ad aprile, luglio, agosto e settembre;

- concentrazione algale delle portate in ingresso suddivisa tra alghe verdi, per i due terzi, e cianobatteri per il rimanente terzo;

- nei mesi di aprile, luglio, agosto e settembre le portate sono pari a 250 l/s. I risultati sono illustrati nei grafici di figura 4.13.

Questi grafici rappresentano lo scenario di calibrazione dell’ecosistema acquatico dei laghi Shichahai, riprodotto con il modello CE-Qual W2.

Per quanto concerne la bontà dei risultati ottenuti, si evidenzia un ottimo accostamento dei profili di fosforo disciolto simulati ai dati monitorati. La concentrazione massima nello scenario di riproduzione eguaglia quella realmente rilevata, anche se relativa ad un mese diverso. Evidenziamo che per i layers più profondi, dove si svolge l’attività degli organismi decompositori, per tutto il periodo primaverile il modello fornisce valori di fosforo disciolto maggiori rispetto a quelli rilevati. L’incongruenza è solo apparente perché, come già detto, i valori monitorati devono essere confrontati con le concentrazioni nel layer superficiale.

I risultati sono molto meno soddisfacenti nella riproduzione della concentrazione di microalghe. Infatti, come evidenziato nel relativo grafico, per il primo layer la concentrazione massima annuale di cianobatteri nello scenario di simulazione è doppia rispetto a quella realmente misurata; anche per l’intero periodo primaverile ed estivo si prospetta più elevata. Numerosi tentativi di calibrazione sono stati diretti ad abbassare tale concentrazione e ad adattarla ai dati monitorati, agendo sia sul sistema di regolazione, come illustrato precedentemente, sia sulla composizione dell’ecosistema acquatico. Nessuno

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Concludendo, possiamo affermare che le limitazioni del processo calibrativo, a riguardo della produzione algale, siano legate a fattori non introdotti nel modello. In particolare, la produzione di biomassa algale nel sistema laghi è sicuramente maggiore di quella rilevata. Infatti, per ridurre gli impatti visivi che la coltre superficiale di microalghe produce, parte di esse, nelle zone in cui si verificano gli accumuli maggiori, vengono asportate manualmente, con l’utilizzo di barchette ed opportuni attrezzi di prelievo. Questa abitudine, localmente molto diffusa, spiega perfettamente il limite incontrato nel nostro processo calibrativo.

Gli scenari di progetto verranno simulati ponendo come condizione iniziale lo scenario di calibrazione, senza considerare le eventuali detrazioni di biomassa algale dal sistema acquatico, sia perché rappresentano un fattore estremamente aleatorio e irriproducibile, sia perché ci poniamo così in condizioni cautelative.

L’ allegato L illustra i profili di calibrazione per tutti i segmenti attivi relativi alle concentrazioni di alghe verdi, cianobatteri, fosforo disciolto, temperatura e TDS.

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Cianobatteri

Seg_4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1-gen 1 6 -gen 3 1 -gen 15-fe b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15 -apr 30 -apr 15-m a g 30-m a g 14-gi u 29-gi u 14-lu g 29-lu g 1 3 -ago 2 8 -ago 12 -s et 27 -s et 12 -o tt 27 -o tt 11-nov 26-nov 11-di c 26-di c

Fosforo disciolto

Seg_4 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 1-g e n 16 -g e n 31 -g e n 15 -f e b 1-m a r 16-m a r 31-m a r 15 -a p r 30 -a p r 15-m a g 30-m a g 14 -g iu 29 -g iu 14 -l ug 29 -l ug 13 -a g o 28 -a g o 12 -s e t 27 -s e t 12 -o tt 27 -o tt 11-nov 26-nov 11 -d ic 26 -d ic