Abstract
Eutrophication modelling of the Shichahai lakes in Beijing
In China eutrophication is a relevant problem, especially for shallow lakes that are widespread on the Chinese territory. The Shichahai lakes represent a little but very significant system of three shallow lakes located in the centre of Beijing, close to the Forbidden City. The trophic level of these lakes, presently eutrophic with a tendency of further deterioration in the future, represents a concern for the municipality of Beijing because of the dramatic limits imposed to the leisure and landscape functions in such a significant spot. The Shichahai lakes have been completely artificialized in the centuries, and today present artificial banks, a constant depth of about 1.8 m and gates controlling inflows and outflows. The water scarcity and a polluted water inlet dramatically compromised the aquatic ecosystem. The restoration plan of the lakes, developed with the cooperation of the Italian Ministry of Environment, Land and Sea, includes a compact R.O. based pump-and-treat pilot plant aimed to gradually increase the general water quality and reduce the nutrients content in the lakes. In this study the CE Qual W2 Model was used to dynamically model the trophic state of the Shichahai lakes so as to analyze the transitory, optimize the whole restoration process and estimate the required time.
The CE Qual W2 is a hydraulic based model aimed to simulate lacustrine ecosystem; it is one of the few proven models for studying the dynamic evolution of eutrophic water bodies. We simulated 27 chemical components including nitrogen (organic nitrogen, nitrates, nitrites, and ammonium) and phosphorus (organic phosphorus and phosphate). With regard to the aquatic ecosystem the most important simulated component is the microalgae group, divided into the two main subclasses of green algae and cynobacteria. The macrophytes were not simulated, because of their total lack due to the absence of banks shallower then 60 cm. We described the present quality status of the lakes by a simulation of 20 years; this simulation was calibrated with experimental data derived by a dedicated monitoring campaign carried out in 2006-2007. Moreover we simulated several scenarios for evaluating the time necessary to restore the system, with special regard to water quality and transparency; the pump-and-treat system was optimized accordingly. We analyzed and optimized inflows and outflows, number and location of treatment plants and pumping points, the use of water hyacinth (Eichhornia crassipes sp.) currently under experimentation and the vertical distribution of components concentrations. Model results pointed out several relevant aspects concerning the eutrophication process and possible remediation methods. Cynobacteria prevailed over green algae in almost all the situations. Many component concentrations varied along the vertical profile: algae concentrated on the surface while phosphorus concentrated in the bottom layers. The presence of water hyacinth and the withdrawal from the bottom layers did not produce relevant effects in the restoration process. The optimization of the treatment technique increased with the number of plants, maintaining constant and continuous inflows and outflows in summer.
Sommario
Analisi numerica dell’eutrofizzazione dei laghi Shichahai a Pechino
In Cina l’eutrofizzazione costituisce un problema rilevante e le sue conseguenze più invasive si manifestano nei numerosi laghi poco profondi, dove il fenomeno è più difficile da combattere. I laghi Shichahai rappresentano un sistema piccolo ma di grande interesse collettivo, costituito da tre laghetti poco profondi situati nel centro della città di Pechino, al confine con la Città Proibita. L’attuale stato trofico del sistema, compromettendone il cruciale ruolo ricreativo e paesaggistico, preoccupa le autorità locali. I laghi rappresentano oggi un sistema idraulico completamente artificiale, controllato attraverso paratoie di monte e di valle. Il limitato ricambio idrico e la cattiva qualità delle immissioni hanno gravemente compromesso la qualità del sistema acquatico. Il progetto di recupero dei tre laghi, sviluppato con la collaborazione del Ministero italiano dell’Ambiente e del Territorio, include un impianto di prelievo e trattamento delle acque del lago molto compatto, basato sul processo dell’osmosi inversa. In questo studio il Modello CE Qual W2 è stato utilizzato per analizzare lo stato eutrofico dei laghi.
Il CE Qual W2 è un modello ecologico su base idrodinamica atto ad analizzare l’evoluzione dell’ecosistema acquatico ed è uno dei pochi collaudati per la simulazione di laghi con caratteristiche eutrofiche. Sono stati simulati 27 componenti chimici, tra cui azoto (nelle forme di azoto organico, nitriti, nitrati e azoto ammoniacale) e fosforo (nelle forme di fosforo organico e fosforo disciolto). Per quanto concerne l’ecosistema acquatico, sono state introdotte nel modello le microalghe, differenziate nei due gruppi di alghe verdi e cianobatteri. Le macrofite non sono state simulate; infatti il loro sviluppo è completamente impedito dalla presenza di sponde artificiali di altezza non inferiore ai 60 cm. Una simulazione dello stato attuale della qualità dei laghi è stata protratta per 20 anni e calibrata sulla base dei dati ottenuti da una campagna di monitoraggio negli anni 2006-2007. Inoltre sono stati simulati differenti scenari di intervento finalizzati alla valutazione dei tempi di recupero della limpidezza e della qualità dei laghi, mediante l’ottimizzazione del funzionamento dell’impianto di prelievo e trattamento. Sono stati analizzati la ottimale regolazione delle portate in ingresso ed in uscita, il numero e il posizionamento degli impianti di trattamento, il punto di prelievo della portata da trattare, la piantumazione del giacinto d’acqua, un tipo di macrofita galleggiante già in sperimentazione, la variazione della concentrazione dei costituenti lungo la verticale. I risultati forniti dal modello negli scenari di calibrazione e di intervento hanno rilevato aspetti interessanti del processo eutrofico e delle modalità con cui può essere contrastato. Si evidenzia una netta predominanza dei cianobatteri, più resistenti alle cattive condizioni ambientali, sulle alghe verdi. L’efficacia del processo di recupero della qualità dell’acqua aumenta con il numero di impianti installati e la sua ottimizzazione è raggiunta garantendo immissioni ed emissioni costanti e continue nei mesi estivi. La concentrazione di alcuni costituenti varia lungo la verticale: per le alghe la concentrazione maggiore è in superficie, per il fosforo negli strati profondi. Infine la piantumazione del giacinto d’acqua e il prelievo della portata da trattare dagli strati più profondi
