2. I Laghi Shichahai
2.1 Introduzione
Il complesso dei laghi Shichahai è situato nel centro della città di Pechino, vicino alla Città Proibita, ed è composto dai laghi Xihai, Houhai e Qianhai.
Lo specchio d’acqua complessivo occupa una superficie di 33.6 ettari e fa parte di una rete fluviale un tempo nota come “la rete d’acqua imperiale”, che deriva le sue acque dal lago di Miyun attraverso il seguente percorso: lago di Miyun, canale di Miyuan di Pechino, il Palazzo d’Estate, canale Miyun di Pechino (che inizia a scorrere in diverse direzioni a partire dal ponte Maizhang), Xihai, Houhai, Qianhai.
La lunghezza complessiva del sistema di laghi Shichahai è di 5.2 Km, la larghezza media di 0.29 Km e la profondità media dei laghi di 1.5 metri. Il volume totale di acqua del sistema è pari a circa 600000 mc.
Le note bibliografiche, riguardanti lo sviluppo nel tempo dell’approvvigionamento idrico della città di Pechino, ci forniscono testimonianza di come in antichità (1000-2000 a. C.) questa città avesse acque in abbondanza, provenienti dalle Montagne di Nord Ovest lungo molti fiumi e laghi naturali.
Dopo il 1200 (i laghi Shichahai furono costruiti attorno al 1270), lo schema originario di approvvigionamento della città fu integrato, soprattutto a sud, con nuovi canali e laghi, realizzati attorno alla residenza imperiale con lo scopo di riuscire a soddisfare il fabbisogno dell’intera città.
Nella metà del 1900 il sistema idrico all’interno di Pechino fu nuovamente integrato con la costruzione di nuovi laghi e canali, questa volta nella zona ovest della città. Ma, attorno agli anni ’60, la maggior parte dei vecchi canali, inclusi gli ingressi e le uscite del lago Lian Hua, furono interrati e notevoli cambiamenti furono introdotti nei profili dei laghetti (come la costruzione di sponde, paratoie di ingresso, cambiamenti di profondità), contribuendo queste modifiche a limitare la circolazione dell’acqua.
Fino al 1970 il rallentamento della circolazione non fu avvertito, perché questa venne ancora assicurata dal fiume Yong Ding e dai laghi Miyun e Guanting, che alimentavano i laghi ed i canali attorno alla città antica, mentre le acque in uscita dai laghi Shichahai venivano divertite verso il Fiume Dorato e fino al canale detto “fosso sud”, situato nella parte sud della città antica.
Dopo il 1970 un periodo di siccità causò l’interruzione dell’approvvigionamento idrico dal lago Yong Ding, di conseguenza i laghi Miyun e Guanting divennero le principali risorse d’acqua per il sistema idrico della città.
Inoltre altri canali furono seppelliti dopo il 1990, causando un’ulteriore riduzione della circolazione idrica nei laghi.
La figura seguente mostra un confronto tra la rete idrica di un tempo e quella odierna (in verde i canali interrati).
Fig.2.2 La rete idrica antica e attuale di Pechino a confronto.
Attualmente, la riduzione degli ingressi al sistema Shichahai, dovuta soprattutto alla scarsità di acqua nei canali a monte, l’incremento degli scarichi inquinanti nei corpi idrici e la chiusura delle uscite dal sistema ha compromesso drammaticamente l’equilibrio dei laghetti.
In più la necessità di ottimizzare le scarse risorse per scopi molteplici e diversi ha trasformato i laghi Shicahai in un sistema idraulico completamente artificiale, attualmente alimentato impulsivamente da brevi portate esterne convoglianti scarichi inquinanti che ripristinano il livello d’acqua nel bacino, senza nessuna attenzione alle conseguenti variazioni del livello di qualità dell’acqua in generale e in particolare al suo stato trofico.
2.2 Indagini e Studi Preliminari
Nel 2005 il “Sino-Italian Cooperation Program”, supportato dal Ministero italiano dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (IMELS) e dal Beijing Environmental Protection Bureau (EPB), ha finanziato uno studio per identificare le cause dell’attuale degradazione dei laghetti e per definire i costi di una nuova soluzione effettiva.
E’ stato elaborato un modello numerico per capire lo stato idrodinamico e chimico del sistema e alcune analisi sono state condotte per individuare il livello generale di inquinamento dell’acqua e la composizione dei sedimenti.
Un elenco dei principali dati di qualità dell’acqua ottenuti da questo primo prelievo è illustrato nella successiva tabella.
Tabella 2.1 Qualità dell’acqua nei laghi Shichahai
Lake Date TDS (mg/L) TSS (mg/L) TN (mg/L) TP (mg/L) BOD5 (mg O2/L) Chlo-A (µgr/L) Temp. ( ) 20/10/06 242,3 4,8 1,8 0,084 5,7 19,6 16,0 01/11/06 268,8 11,0 6,8 0,148 5,1 3,8 14,5 15/11/06 256,5 3,7 3,3 0,150 5,5 32,1 9,3 mean s of 8 valu es 15/03/07 731,9 12,8 13,0 0,112 8,7 58,9 7,7 Xihai Mean 374,8 8,1 6,2 0,123 6,3 28,6 11,9 21/10/06 256,7 8,5 1,4 0,111 5,5 17,5 16,5 02/11/06 286,2 4,7 4,7 0,107 5,2 2,1 14,5 16/11/06 262,5 11,7 3,3 0,141 8,4 44,2 14,9 mean s of 10 val u e s 16/03/07 656,0 11,0 12,3 0,063 8,3 44,7 7,5 Houh ai Mean 365,4 9,0 5,4 0,106 6,8 27,1 13,3 22/10/06 245,9 6,3 1,4 0,057 5,5 15,8 16,5 03/11/06 268,4 2,7 3,3 0,074 4,7 4,9 14,5 17/11/06 264,3 11,4 3,1 0,117 8,4 35,4 14,5 mean s of 10 val u e s 17/03/07 633,1 7,5 11,7 0,074 8,2 32,3 8,8 Qianhai Mean 352,9 7,0 4,9 0,080 6,7 22,1 13,6 Means of all the data 364,4 8,0 5,5 0,103 6,6 26,0 12,9
In sintesi, tali studi hanno dimostrato che una serie di cause concatenate sono responsabili del deterioramento della qualità dell’acqua dell’intero sistema:
- la circolazione quasi nulla impedisce o ritarda la riossigenazione delle acque e gli scambi tra le varie zone dei laghi, favorendo il deterioramento delle zone più profonde e particolarmente sollecitate;
- l’alimentazione intermittente con acque inquinate, il progressivo accumulo di significanti quantità di sedimenti organici particolarmente ricchi di azoto e fosforo e una continua variazione della composizione delle acque inquinate rivestono un ruolo importante nel processo di deterioramento;
- il significativo carico esterno e interno di nutrienti è responsabile di uno stato trofico classificabile nel range dell’eutrofizzazione, con un alto rischio di eccessive crescite algali causate dalla deossigenazione delle acque, con conseguenze negative come la torbidità, assenza di pesci, parziali esplosioni algali, acque verdastri, formazione di mucillagini, ecc.
2.3 Individuazione dell’Attuale Stato Trofico dei Laghi
I laghi Shicahai appaiono evidentemente deteriorati nel loro aspetto estetico a causa del colore verde delle loro acque, dell’eccessiva biomassa algale e della torbidità, chiari indici del fenomeno dell’eutrofizzazione in atto.
Una valutazione preliminare dello stato trofico dei laghetti può essere effettuata, con riferimento al metodo probabilistico elaborato dall’OCSE, rilevando la concentrazione di clorofilla e di fosforo totale nei laghi durante la prima fase di indagine. [4]
I risultati che ci forniscono i due parametri rilevati sono paragonati in figura 2.3 e rivelano che tutti e tre i laghi sono al centro della distribuzione di frequenza dell’eutrofizzazione.
Xihai Houhai Qianhai Xihai Houhai Qianhai Xihai Houhai Qianhai
Fig.2.3 Classificazione dei laghi Shichahai attraverso la distribuzione di probabilità delle classi trofiche, sulla base delle concentrazioni medie annue di fosforo totale e clorofilla.
Un secondo importante aspetto riguarda il confronto tra i due nutrienti coinvolti nel processo, N e P. Il principio dei fattori limitanti di Liebig asserisce che per la crescita algale occorre un rapporto costante tra C, N e P. Escludendo il carbonio che è presente in natura sotto varie forme, un confronto tra P e N consente di individuare il cosiddetto “fattore limitante”. [5]
L’individuazione può essere effettuata ancora sulla base dei ranges che l’OCSE fornisce:
se Ninorg / Porto < 10 il fattore limitante è l’azoto; se Ninorg / Porto> 18 il fattore limitante è il fosforo.
I rapporti N/P, calcolati sulla base dei risultati della prima campagna di indagine, sono i seguenti:
Houhai: 26.0 Qianhai: 31.3
Si può quindi concludere che per tutti e tre i laghi il fosforo è certamente il fattore limitante.
Su queste basi è stato sviluppato un progetto che consiste nella costruzione di un impianto di trattamento delle acque situato nel lago centrale, affiancato ad una campagna di monitoraggio della qualità delle acque nel complesso dei tre laghi.
In questo modo sarà possibile testare la reale efficienza dell’impianto di trattamento per il recupero ambientale dei laghi Shichahai.
2.4 La Soluzione Proposta
Per il recupero dei laghi Shichahai non possono essere previsti interventi preventivi per due motivi:
1) complessità della rete idrica di approvvigionamento che convoglia acque inquinate nel bacino in esame;
2) l’eutrofizzazione si è già manifestata nei laghi e sono quindi necessari interventi di risanamento.
La rimozione dei carichi interni può essere effettuata attraverso il dragaggio dei sedimenti, ma questa soluzione ha notevole impatto ambientale oltre ad essere molto costosa.
L’approccio scelto si orienta verso la continua rimozione dei nutrienti in forma particolata o disciolta. Specialmente in estate, elevate concentrazioni di N e P in forma disciolta sono state rilevate nelle acque ipolimnetiche; così il trattamento delle acque di fondo risulta essere una soluzione interessane per ridurre i
2.5 Sperimentazione
La fase sperimentale del progetto di recupero e ripristino della qualità dell’acqua dei laghi Shichahai è stata studiata per dare delle risposte alle successive domande:
- può un impianto di “prelievo e trattamento” essere sufficiente a raggiungere un livello di qualità delle acque accettabile, senza significativi interventi sui carichi inquinanti che alimentano il sistema dall’esterno?
- Quanti impianti sono richiesti per ottimizzare il processo?
- Quali sono i trattamenti da effettuare per ottenere gli obiettivi prefissati di qualità?
- Con che modalità dovrà avvenire il trattamento?
- Se le acque trattate vengono restituite sature di ossigeno, può questa tecnica sostituire la tradizionale areazione ipolimnetica?
Tutti questi quesiti dovranno essere risolti ottimizzando i risultati di tre attività diverse condotte in parallelo:
- una sperimentazione effettuata in scala reale per mettere in evidenza i problemi di conduzione e di efficienza dell’impianto;
- una campagna di monitoraggio e di indagine di un intero anno per conoscere approfonditamente lo stato trofico dei laghi;
- un modello numerico per le condizioni idrodinamiche del lago, per l’andamento dei principali parametri di inquinamento e lo stato trofico in generale.
2.5.1 L’Impianto di Trattamento
La tecnica maggiormente usata per la rimozione del fosforo negli impianti di trattamento delle acque reflue è costituita dalla coagulazione – flocculazione e da una successiva sedimentazione.
Ma per raggiungere concentrazioni di P e TSS più basse occorre un impianto di coagulazione – flocculazione e filtrazione che raggiunge risultati migliori in uno spazio più piccolo.
Tuttavia questa soluzione è efficace nel caso in cui il fosforo sia per lo più in forma organica – particolata; ma questo avviene solo in condizioni climatiche particolari.
Invece, nella maggior parte dei casi, il fosforo è principalmente presente sotto la forma disciolta di ortofosfato, che non può essere rimosso per concentrazioni minori di 0.5 mg/l. Per le situazioni in cui si richieda una concentrazione di P molto bassa, l’attenzione è rivolta allora ai trattamenti con membrane. [6], [7], [8]
Recentemente è stato dimostrato che esse possono realmente rimuovere il fosforo disciolto.
In particolare il sistema dell’osmosi inversa sembra dare i migliori risultati.
Reardon (2006) suggerisce 0.008 mg/l come valore limite raggiungibile con questa tecnologia. In parallelo i trattamenti chimici possono incrementare l’efficienza dell’osmosi inversa. [5]
Al fine di raggiungere questi molteplici obiettivi, l’impianto pilota è stato realizzato in modo da includere diversi stadi di trattamento:
- clorazione; - filtrazione; - adsorbimento; - osmosi inversa.
Una pianta dettagliata dell’impianto pilota è illustrata in figura 2.4. Esso presenta una struttura molto compatta. Il suo disegno architettonico, scelto dalle autorità locali tra diverse soluzioni, include un suggestivo rivestimento trasparente e un’illuminazione interna a neon.
Fig.2.4 L’impianto pilota.
2.5.2 La Campagna di Monitoraggio
La campagna accompagna l’intera durata del progetto per permettere di individuare i parametri fisici e chimici dell’acqua.
2.5.3 Modellazione Numerica Idrodinamica e di Qualità
I dati acquisiti nella campagna di monitoraggio sono utilizzati per calibrare due specifici modelli numerici:
- Il primo è il modello idrodinamico, bidimensionale, basato su maglie quadrate di 30 m;
- Il secondo è il modello di qualità, elaborato con il programma CE-Qual-w2, bidimensionale, mediato lateralmente.
In questo lavoro di tesi è stata elaborata una parte della terza fase del programma sperimentale in atto, ovvero la modellazione numerica della qualità delle acque.
Sulla base dei dati fino ad oggi acquisiti dalla campagna di monitoraggio, il modello CE-Qual-W2 è stato calibrato per riprodurre lo stato idrodinamico ma soprattutto di qualità delle acque dei laghi Xihai, Houhai e Qianhai, e per predire e confrontare i risultati di differenti politiche di intervento per il loro risanamento.
2.6 Alcuni Dati ottenuti dalla Campagna di Monitoraggio
Batimetria
