RICERCA ITALIANA     

TRASPORTO DI CONTAMINANTI TOSSICI E/O RADIOATTIVI IN MEZZI POROSI NATURALI E ARTIFICIALI: MODELLI ED ESPERIMENTI

Politecnico di Milano

Abstract

Il presente progetto di ricerca concerne lo studio e la modellazione del trasporto di contaminante in mezzi porosi artificiali e naturali in regime di flusso saturo ed insaturo. Si intendono sviluppare nuovi modelli stocastici per la descrizione del trasporto nei casi di a) non linearità dovute alla presenza di colloidi b) non stazionarietà del regime di flusso c) eterogeneità dei mezzi. A supporto dell'attività di elaborazione dei modelli quantitativi e per la convalida dei codici sviluppati si intende svolgere un'attività sperimentale a) a scala di laboratorio per lo studio del trasporto di contaminanti in mezzi porosi saturi in presenza di colloidi e b) a scala di campo per lo studio del trasporto in mezzi porosi insaturi naturali. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Marzio MARSEGUERRA Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'esigenza di uno sviluppo sostenibile, di primaria importanza per tutti i paesi industrializzati, pone il problema dello stoccaggio e dello smaltimento dei rifiuti industriali e civili. In particolare per i paesi in cui siano presenti impianti di tipo nucleare è di fondamentale importanza definire le procedure per il confinamento e per lo smaltimento dei rifiuti radioattivi derivanti da impieghi medicali, da attività di ricerca e dall'eventuale smantellamento di impianti nucleari. Le prescrizioni atte a salvaguardare la salute della popolazione e la tutela dell'ambiente prevedono analisi di rischio che supportino le scelte dei siti destinati a deposito e che ne garantiscano la sicurezza su scale temporali da definirsi in base alla tipologia del rifiuto e del confinamento. In particolare, per quanto concerne i rifiuti radioattivi a vita lunga, dati i lunghissimi tempi di potenziale pericolo, le attuali normative che regolano la scelta dei siti e la progettazione dei depositi di confinamento richiedono che le caratteristiche di sicurezza siano mantenute per periodi dell'ordine delle centinaia di migliaia di anni. Per quanto concerne i depositi siano essi superficiali, sub-superficiali o profondi è opportuno che la funzione di salvaguardia sia svolta in maniera integrata sia dalle barriere ingegneristiche progettate ad hoc che dalle barriere geologiche circostanti.
In questo contesto assume grande importanza lo studio e la modellazione dei processi di migrazione dei contaminanti dapprima attraverso i mezzi porosi artificiali delle barriere ingegneristiche di contenimento e successivamente attraverso i mezzi porosi naturali superficiali e sotterranei che circondano i siti destinati al deposito di rifiuti.
Affinché le simulazioni siano significative è necessario che esse tengano conto della realtà dei fenomeni coinvolti ed in particolare: (i) della intrinseca non omogeneità dei mezzi porosi naturali ed artificiali e (ii) della non linearità dei fenomeni che regolano i processi di scambio tra fase liquida e fase solida. Il primo di questi aspetti comporta una variabilità spaziale, ed eventualmente temporale, dei parametri del modello che conduce inevitabilmente ad una modellizzazione matematica mediante distribuzioni di variabili casuali. Per quanto concerne il secondo aspetto, vi è nel mondo scientifico una crescente consapevolezza dell'importante ruolo che non linearità nei fenomeni di assorbimento possono giocare sul trasporto di contaminanti. Questo tipo di fenomeni è, ad esempio, di particolare importanza quando sono presenti forme colloidali che possono facilitare significativamente il trasporto dei contaminanti nelle acque sotterranee attraverso un meccanismo di adsorbimento che dipende dal numero di siti reattivi disponibili sulla superficie colloidale. Ad esempio uno studio sul trasporto di contaminante radioattivo condotto al Los Alamos National Laboratory ha permesso di rilevare la presenza di plutonio e americio a circa 30 metri dalla sorgente anziché a pochi millimetri come previsto da stime fatte senza tenere conto del contributo della fase colloidale. Più recentemente in un sito nelle Yucca Mountain (Nevada), nel corso di studi di fattibilità per la costruzione di un deposito di rifiuti radioattivi ad alta attività, la presenza di plutonio ad una distanza di circa 1.3 chilometri dalla sorgente è stata considerata un'ulteriore evidenza sperimentale del fenomeno.
L'obiettivo primario della ricerca proposta consiste nell'acquisizione di qualificate competenze tecnico scientifiche nell'ambito dei problemi di sicurezza sopra menzionati in modo che l'Università italiana possa contribuire alle iniziative internazionali di studi e ricerche in ambito europeo e Agenzia Nucleare OCSE.
Il programma proposto riguarda il trasporto di contaminanti nei mezzi porosi saturi in presenza di colloidi e nei mezzi porosi insaturi e si articola come segue:
a) sviluppo di modelli fenomenologici dei processi che governano il trasporto
b) misure a scala di laboratorio e a scala di campo
c) sviluppo di modelli innovativi stocastici, diretti e inversi, scrittura dei relativi codici di calcolo e loro convalida
Nel seguito si riportano gli obiettivi delle singole Unità

U.O. POLITECNICO DI MILANO
Trasporto di contaminanti in mezzi porosi saturi in presenza di colloidi:
1. attività sperimentale in collaborazione con l'U.O. di Pavia: prove in batch e misure su colonne sperimentali
2. messa punto di un modello fenomenologico
3. generalizzazione di un modello stocastico non lineare già sviluppato e di un corrispondente codice Monte Carlo
4. impiego di tecniche innovative di soft computing per l'identificazione dei parametri del modello stocastico e per lo sviluppo di un modello interpretativo
5. convalida dei risultati di cui ai punti 3 e 4 sulla base di dati sperimentali acquisiti da questa U.O. e dall'U.O. di Pavia
Trasporto in mezzi porosi insaturi in regime di flusso non stazionario:
1. generalizzazione del modello stocastico non lineare già sviluppato e del relativo codice Monte Carlo
2. convalida sulla base di dati sperimentali di campo acquisiti dall'U.O. di Idraulica Agraria di Milano e sulla base di dati numerici ottenuti dall'U.O. di Parma
3. analisi di fattibilità, in collaborazione con l'U.O. di Parma, al fine di tenere conto dell'"effetto di scala" nel modello stocastico sviluppato da questa U.O..
Trasporto in mezzi fratturati:
1. analisi di fattibilità per la generalizzazione del modello stocastico al caso di trasporto in mezzi fratturati

U.O. UNIVERSITÀ DI MILANO
Studio dei fenomeni di trasporto verticale in terreno insaturo a scala di campo: misure del contenuto di umidità del suolo e della variazione di concentrazione di contaminante effettuate mediante sonde TDR (Time Domain Reflectometry)
1. monitoraggio dei processi di infiltrazione e del trasporto di un tracciante non reattivo scelto con il supporto della U.O. di Pavia
2. prove di infiltrazione di contaminanti di origine agricola e collaborazione con l'U.O. di Pavia per l'individuazione degli andamenti funzionali dei principali fenomeni di scambio tra contaminante e matrice porosa naturale
3. convalida di un codice di calcolo agli elementi finiti con approccio euleriano-lagrangiano
Analisi dei fenomeni di trasporto bidimensionale verticale sul medesimo campo sperimentale coltivato per lo studio dell'effetto dell'apparato radicale sui processi di infiltrazione: misure effettuate con sonde TDR e tensiometri
4. monitoraggio dei processi di infiltrazione e dei valori di concentrazione del contaminante agricolo prescelto
5. applicazione e convalida di un modello matematico 2D basato sull'equazione di Richards abbinato ad un modello di quantificazione dell'acqua trattenuta dalle piante.
6. ottimizzazione della procedura di irrigazione per scorrimento al fine di minimizzare la percolazione verso la falda sottostante.

U.O. UNIVERSITÀ DI PARMA:
Definizione della statistica dei tempi di arrivo in falda di inquinanti a seguito del transito attraverso un mezzo poroso insaturo naturalmente eterogeneo in condizioni di flusso stazionario e non stazionario. La scala delle eterogeneità considerata sarà la scala locale di campo (ordine del centinaio di metri); la modellazione riguarderà situazioni di moto bi e tridimensionale.
Individuazione della funzione di trasferimento utile per la ricostruzione della storia del rilascio dell'inquinante in falda tenendo conto del transito attraverso lo strato insaturo.


U.O. UNIVERSITÀ DI PAVIA:
Studio dei meccanismi di ripartizione tra fase solida e fase liquida mediante traccianti radioattivi
1. preparazione di radionuclidi tracciati in collaborazione con l'U.O. del Politecnico di Milano
2. prove in batch con matrice porosa artificiale in presenza di colloidi
3. prove in batch con soluzioni di contaminanti agricoli tracciati e campioni di terreno poroso naturale provenienti dal sito sperimentale dell'U.O. di Agraria di Milano <<<

Risultati parziali attesi

1. definizione di un protocollo per la preparazione di radionuclidi ottenibili per attivazione neutronica (U.O. Politecnico di Milano, U.O. di Pavia)

2. realizzazione e messa a punto presso i laboratori dell'U.O. del Politecnico di Milano di un apparato per la misura mediante spettrometria delle concentrazioni di contaminante a valle di colonne sperimentali


3. sintesi ed individuazione di traccianti radioattivi cationici e anionici di semplice impiego e rivelazione per la realizzazione delle prove batch statiche e delle prove dinamiche in colonna nella scala di laboratorio (U.O. Pavia; U.O. Politecnico di Milano).

4. determinazione dei coefficienti di ripartizione dei radionuclidi nelle matrici porose artificiali impiegate dall'U.O. del Politecnico di Milano per l'attività sperimentale in colonna e per la modellazione del fenomeno di trasporto (U.O. di Pavia).


5. formulazione di un modello fenomenologico non lineare del trasporto di contaminanti nei mezzi porosi in presenza di colloidi sulla base di dati sperimentali acquisiti nel corso del presente progetto (U.O. Politecnico di Milano)

6. convalida sulla base di dati di letteratura e dati sperimentali del modello stocastico e del corrispondente codice Monte Carlo sviluppati per il caso di trasporto in presenza di colloidi dall'U.O. del Politecnico di Milano


7. convalida di un codice di trasporto euleriano-lagrangiano mediante confronto con i dati di contenuto idrico e concentrazione di soluto ricavati dal sito sperimentale (U.O. Idraulica Agraria dell'Università di Milano, U.O. di Parma);

8. messa a punto dell'allestimento sperimentale a scala di campo per l'acquisizione di dati per lo studio dell'effetto dell'apparato radicale sui fenomeni di flusso e trasporto in terreno poroso insaturo (U.O. Idraulica Agraria dell'Università di Milano);


9. messa a punto degli strumenti computazionali per l'elaborazione del codice di flusso e trasporto nei mezzi porosi insaturi eterogenei e completamento delle prove con generazione multipla (U.O. di Parma).1. determinazione dei coefficienti di ripartizione del contaminante in funzione della variazione di parametri caratteristici del colloide e della soluzione (U.O. di Pavia , U.O Politecnico di Milano).

2. individuazione di idoneo tracciante non radioattivo per la realizzazione delle prove nella scala di campo sul terreno agricolo dell'U.O. Idraulica Agraria dell'Università di Milano (U.O. di Pavia).

3. determinazione dei coefficienti di ripartizione del contaminante agricolo tracciato nel sistema bifasico terreno naturale/soluzione (U.O. di Pavia; U.O. di Idraulica Agraria dell'Università di Milano)

4. Quantificazione degli effetti derivanti dalla presenza di eventuali complessati naturali (acidi umici e fulvici) sul fenomeno di scambio del contaminante tra la matrice di terreno e la soluzione (U.O. di Pavia).

5. sviluppo di un modello interpretativo del trasporto in presenza di colloidi mediante tecniche di soft computing e convalida sulla base di dati sperimentali (U.O. Politecnico di Milano)

6. convalida dei modelli di trasporto in mezzi porosi insaturi sulla base di dati numerici e di dati sperimentali ottenuti dalle unità coinvolte (U.O. del Politecnico di Milano, U.O. di Parma, U.O. di Idraulica Agraria dell'Università di Milano);

7. analisi di fattibilità al fine di tenere conto dell'"effetto di scala" nel modello stocastico sviluppato dall'U.O. del Politecnico di Milano

8. analisi di fattibilità per la generalizzazione del modello stocastico al caso di trasporto in mezzi fratturati (U.O. Politecnico di Milano)

9. Estensione del campo di applicabilità del modello di "root uptake" (U.O. Idraulica Agraria dell'Università di Milano).

10. convalida dei modelli accoppiati di flusso e trasporto bidimensionali e di "root uptake" con i dati misurati sul sito sperimentale (U.O. Idraulica Agraria dell'Università di Milano).


11. Procedure di ottimizzazione dell'irrigazione per scorrimento con riduzione dell'apporto di inquinanti in falda (U.O. Idraulica Agraria dell'Università di Milano). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La protezione dell'ecosistema dal potenziale pericolo costituito da depositi di rifiuti è di primaria importanza per tutti i paesi industrializzati. Le prescrizioni atte a salvaguardare la salute della popolazione e la tutela dell'ambiente richiedono analisi di rischio che supportino le scelte dei siti destinati a deposito e che ne garantiscano la sicurezza su scale temporali da definirsi in base alla tipologia del rifiuto e del confinamento (DOE/EIS-0287,1999). Per quanto concerne i depositi, siano essi superficiali, sub-superficiali o profondi è opportuno che la funzione di salvaguardia sia svolta in maniera integrata sia dalle barriere ingegneristiche progettate ad hoc che dalle barriere geologiche circostanti che devono presentare caratteristiche tali da impedire il ritorno del contaminante nella biosfera (Cecil et al.,1997).
In questo contesto assume grande importanza lo studio e la modellazione dei processi di migrazione dei contaminanti dapprima attraverso i mezzi porosi artificiali delle barriere ingegneristiche di contenimento e successivamente attraverso i mezzi porosi naturali superficiali e sotterranei che circondano i siti destinati a deposito.
Negli anni in cui la comunità scientifica si è confrontata con queste problematiche sono emerse importanti questioni che risultano cruciali affinché le simulazioni numeriche siano rappresentative della realtà dei fenomeni coinvolti. Tra queste (i) la intrinseca non omogeneità dei mezzi porosi naturali ed artificiali e (ii) la non linearità dei fenomeni che regolano i processi di scambio tra fase liquida e fase solida.
Il primo di questi aspetti comporta una variabilità spaziale, ed eventualmente temporale, dei parametri del modello che, combinata con il fatto che le stime dei parametri sono inevitabilmente soggette ad errori di misura, conduce a risultati affetti da componenti stocastiche che possono essere descritte mediante l'applicazione di tecniche di analisi di tipo geostatistico (Schafmeister-Spierling e Burger,1989;Bonano et al.,1989) o attraverso sistemi di equazioni differenziali stocastiche (Freeze, 1975; Gelhar,1986;Dagan,1989).
Per quanto concerne il secondo aspetto, vi è nel mondo scientifico una crescente consapevolezza dell'importante ruolo che non linearità nei fenomeni di assorbimento possono giocare sul trasporto di contaminanti. La presenza di processi di assorbimento non lineari è ampiamente documentata da studi effettuati sul campo (Hutzler et al.,1986;Roberts et al.,1986). Dal punto di vista dell'analisi quantitativa, la non linearità dei processi di adsorbimento e desorbimento contribuisce ad aumentare notevolmente le difficoltà modellistiche e computazionali del problema.
Un'altra questione di particolare rilevanza è costituita dalla soluzione del problema di ricostruzione della storia di rilascio di un inquinante in falda. Recentemente, anche sulla spinta di modifiche legislative intervenute in Italia, è diventato di interesse questo problema inverso del secondo tipo che, sulla base di parametri noti e di misure di concentrazione dell'inquinante nell'acquifero acquisite nel corso di campagne di monitoraggio, identifica l'andamento temporale del rilascio di inquinante che ha dato origine all'inquinamento riscontrato. Spesso la responsabilità dell'inquinamento di uno stesso sito è imputabile ad una pluralità di soggetti che possono coesistere contemporaneamente sul territorio ed anche essersi succeduti nel corso degli anni (Skaggs & Kabala,1994). Individuare il contributo di ciascuno è un presupposto necessario per un'equa ripartizione degli oneri di disinquinamento. Dal punto di vista legale e normativo, inoltre, è necessario conoscere i livelli di concentrazione e la durata del rilascio (Snodgrass & Kitanidis,1997, Liu & Ball,1999).

A fronte di quanto detto, il presente progetto di ricerca propone lo sviluppo di modelli innovativi stocastici per la descrizione del trasporto di contaminanti nei mezzi porosi saturi in presenza di colloidi e per la risoluzione di problemi diretti ed inversi nei mezzi porosi insaturi. A supporto dell'attività di elaborazione dei modelli quantitativi e per la convalida dei codici sviluppati si intende svolgere un'attività sperimentale a scala di laboratorio per lo studio del trasporto di contaminanti in mezzi porosi saturi in presenza di colloidi e a scala di campo per lo studio del trasporto in mezzi porosi insaturi naturali.

L'attività proposta dall'U.O del Politecnico di Milano ha come obiettivo la generalizzazione di un modello stocastico per la descrizione del trasporto di contaminante nei mezzi porosi sviluppato in passato da alcuni componenti dell' U.O. per il caso di trasporto in mezzi porosi saturi ed in regime di flusso stazionario. Il modello è stato già generalizzato e convalidato sperimentalmente per casi di trasporto non lineare nel corso di un progetto di ricerca cofinanziato dal MIUR nel biennio 2002-2004. Nel presente progetto si intende generalizzare il modello stocastico al fine di descrivere il trasporto di contaminanti in mezzi porosi saturi in regime di flusso stazionario in presenza di particelle colloidali, in mezzi porosi insaturi in regime di flusso non stazionario ed in mezzi fratturati. L'approccio stocastico proposto deriva da un'attività di studio condotta sulla base della teoria dei processi stocastici di ramificazione di Kolmogorov-Dmitriev (Kolmogorov e Dmitriev,1947). L'approccio, simile a quello di Antonopulos-Domis, Clouvas e Marseguerra (1995) e di Lee e Lee (1995) si basa sulla discretizzazione del dominio spaziale in compartimenti e sulla descrizione esplicita delle singole transizioni che le particelle di contaminante possono subire durante il trasporto, secondo probabilità di transizione note e permette di descrivere in maniera esplicita e puntuale i vari fenomeni che governano il trasporto (Marseguerra e Zio,1997). L'approccio differisce dal più classico metodo dei cammini casuali in quanto anche la parte di trasporto advettiva, oltre a quella diffusiva, viene inglobata nella descrizione stocastica complessiva (Uffink,1985). Tali caratteristiche consentono di tener conto delle eterogeneità del mezzo e della variabilità spaziale e temporale dei parametri del modello e permettono di trattare in modo dettagliato i processi di interscambio tra la fase solida e la fase liquida, compresi effetti di non linearità quali la saturazione dei siti di intrappolamento del contaminante sulle superfici della matrice porosa (Marseguerra e Zio,2001). Questo tipo di fenomeni è, ad esempio, di particolare importanza quando sono presenti forme colloidali che possono facilitare il trasporto dei contaminanti nei mezzi porosi attraverso un meccanismo di adsorbimento che dipende dal numero di siti reattivi disponibili sulla superficie colloidale. Gli effetti del contributo dei colloidi sul trasporto sono stati rivelati in diverse situazioni e rivestono un ruolo fondamentale nelle valutazioni progettuali dei siti di deposito definitivo di rifiuti radioattivi ad alta attività (Nyhan et al.,1985; Nuttal e Long,1993;Buddemeier e Hunt,1988;Kersting et al.,1999). Le interessanti problematiche poste dal comportamento dei contaminanti in presenza di collodi suggeriscono la messa a punto di tecniche di analisi sperimentale mirate all'individuazione della dipendenza funzionale non lineare dei processi di adsorbimento e desorbimento.

Allo scopo di analizzare i processi di scambio tra fase solida, fase liquida e fase colloidale le UU.OO. del Politecnico di Milano e di Pavia intendono avviare un'attività sperimentale alla scala di laboratorio consistente in misure statiche in batch e misure dinamiche su colonne sperimentali contenenti mezzi porosi (Saltelli et al.,1984;Johnson et al.,1996;Kretzschmar,1997;Comegna,1999). In particolare, l'U.O. di Pavia effettuerà misure statiche per la quantificazione degli effetti che i diversi parametri hanno nella ripartizione dei contaminanti tra le fasi utilizzando traccianti radioattivi e tecniche di spettrometria gamma. Ciò è consentito dal fatto che il gruppo di ricerca dell'U.O. di Pavia dispone di laboratori autorizzati ed attrezzati per la manipolazione di radionuclidi, di un Reattore Nucleare di ricerca (Triga Mark II) tuttora in funzione, e vanta una consolidata esperienza nella sintesi ed analisi di radioisotopi. Per quanto concerne le misure dinamiche di trasporto il gruppo dell'U.O. del Politecnico di Milano intende utilizzare due apparati messi a punto presso i propri laboratori.: i) per la misura della concentrazione a valle di colonne sperimentali mediante tecniche spettrofotometriche e ii) per la misura della concentrazione all'interno delle colonne stesse mediante traccianti radioattivi e tecniche rivelazione di radiazione gamma.

Dal punto di vista computazionale la presenza dei colloidi verrà tenuta in conto generalizzando un codice Monte Carlo già sviluppato e convalidato in assenza di particelle colloidali. La proposta di un approccio di tipo Monte Carlo si basa sull'esperienza acquisita nella fisica dei reattori nucleari per lo studio del trasporto dei neutroni e dei raggi gamma nei mezzi eterogenei (Cashwell e Everett,1959;Spanier e Gelbard,1969; Rubinstein,1981).
Il problema inverso della determinazione dei valori dei parametri che individuano le specifiche leggi di scambio dei processi stocastici di interesse in presenza di colloidi verrà affrontato sulla base di dati sperimentali di trasporto. Il metodo che si intende adoperare per la soluzione del problema è quello degli Algoritmi Genetici. Tale metodologia per l'ottimizzazione di funzioni di più variabili è già stata applicata in passato da alcuni dei componenti della presente U.O. a problemi di identificazione di parametri nell'ambito del trasporto di contaminante (Giacobbo et al.,2002). Caratteristica fondamentale di questa tecnica è l'approccio globale alla ricerca dell'ottimo che viene effettuata a partire da numerosi punti nello spazio delle soluzioni anziché da un unico punto (Goldberg,1989).
Per la determinazione dei parametri del modello stocastico in un mezzo poroso insaturo in regime di flusso non stazionario si intende procedere analogamente a quanto fatto per il caso stazionario e cioè mediante un confronto tra le equazioni del modello stocastico e le equazioni del modello classico di advezione-dispersione discretizzate secondo lo schema delle differenze finite centrali (Ferrara et al.,1999).

Per quanto concerne l'U.O. dell'Università di Parma, i ricercatori dell'U.O. hanno acquisito esperienza nel campo dei modelli matematici deterministici di trasporto di contaminanti in mezzi porosi insaturi (Deangelis e Tanda, 1996) e nel settore del trasporto di inquinante affrontato con approccio stocastico, ottenendo buoni risultati per il caso di campi eterogenei soggetti a ricarica (Butera e Tanda,1999) e condizionati in trasmissività e carico (Butera e Tanda,1995) nel caso di mezzo poroso saturo.
Nell'ambito delle problematiche relative alla ricostruzione del temine di sorgente è stata approfondita la tecnica geostatistica sviluppata da Snodgrass & Kitanidis (1997) estendendola a situazioni di trasporto bidimensionale, a sorgenti non puntuali o multiple in mezzo poroso saturo. Attualmente, nel corso di un progetto di ricerca co-finanziato dal MIUR fino a dicembre 2004, si sta sviluppando l'estensione ai casi di i) moto di fondo non uniforme, ii) funzione di trasferimento (kernel function) non determinabile analiticamente e iii) mezzo poroso eterogeneo.
Nel presente progetto di ricerca si intendono affrontare alcune importanti problematiche relative ai mezzi porosi insaturi, nella consapevolezza che gli apporti di inquinante verso le falde acquifere sono veicolati attraverso un percorso che si sviluppa in mezzi porosi naturali insaturi. L'esperienza indica questa via di penetrazione come la più frequente negli episodi di inquinamento accidentale, di inquinamenti localizzati nei siti industriali, nei depositi di idrocarburi civili o industriali e di inquinamenti diffusi dovuti a imperfette reti di fognatura o a sversamenti di origine agricola. Anche le percolazioni da discariche di rifiuti solidi di origine civile o di rifiuti speciali, quali scarti delle tecnologie medicali nucleari si sviluppano spesso nello strato di terreno insaturo a seguito di mancanza di continuità dei materiali di contenimento.
In questo settore la letteratura internazionale ha fornito importanti contributi non solo nella formulazione analitica del problema delineata sul finire degli anni 60 (Bear, 1972,Van Genuchten, 1980) ma anche nel caso di terreni eterogenei e insaturi affrontati con approccio stocastico (Yeh et al., 1985a, b e c;Indelman e Rubin, 1993; Holt et al.,2003). Restano irrisolte o controverse alcune importanti questioni quali la rappresentazione spaziale della variabilità dei parametri fisici del mezzo insaturo, le conseguenze degli errori di misura delle variabili di campo, lo studio del moto non stazionario.
Le problematiche che si intendono affrontare riguardano i) lo studio delle statistiche dei tempi di arrivo in falda di inquinanti a seguito del transito attraverso un mezzo poroso insaturo naturalmente eterogeneo in condizioni di flusso stazionario e non stazionario; ii) l'individuazione della funzione di trasferimento utile per la ricostruzione della storia del rilascio dell'inquinante in falda tenendo conto del transito attraverso lo strato insaturo. La scala delle eterogeneità considerata sarà la scala locale di campo, la modellazione riguarderà situazioni di moto bi e tridimensionale.

Per quanto concerne l'attività sperimentale che l'U.O. dell'Istituto di Idraulica Agraria dell'Università di Milano intende svolgere su un campo sperimentale è ormai largamente riconosciuta l'importanza di monitorare il trasporto di soluti non solo a scala di laboratorio ma anche alla più complessa scala di campo (Juri et al.;1982;Van Wesenbeeck e Kachanoski,1991;Seuntjens et al.,2001). In particolare si intende fornire un contributo significativo alla quantificazione del "leaching risk", così come prescritto dalla direttiva europea 91/414 nella quale espressamente si richiede l'adozione di modelli matematici convalidati sulla base di misure effettuate in condizioni realistiche.
La sperimentazione sarà condotta su una parcella già parzialmente strumentata e sulla quale sono state effettuate numerose prove per la misura indiretta della conducibilità idraulica del terreno a saturazione (Galbiati e Savi,1995;1997). Nell'attuale progetto si intendono installare una serie di sonde TDR, Time Domain Reflectometry, (Comegna,1999) per la misura del contenuto idrico e della conducibilità elettrica del terreno e posizionare alcuni tensiometri per la misura della pressione dell'acqua del suolo. Le misure saranno effettuate anche su una parcella coltivata con lo scopo di approfondire l'effetto dell'apparato radicale sul grado di inumidimento del suolo ai fini dell'ottimizzazione della procedura di irrigazione in relazione al rischio di contaminazione della falda sottostante.
L'attività sarà finalizzata all'approfondimento delle problematiche relative al flusso idrico e al trasporto di contaminanti di origine agricola nel terreno insaturo e fornirà un valido supporto allo sviluppo e alla convalida dei modelli stocastici elaborati dalle UU.OO. del Politecnico di Milano e dell'Università di Parma nel corso di questo progetto. Inoltre si intendono impiegare i risultati dell'attività sperimentale per la convalida di un codice di calcolo agli elementi finiti con approccio euleriano-lagrangiano (1D) gia' esistente (Deangelis e Tanda,2000). Per lo studio del fenomeno di imbibimento progressivo di un terreno agrario si intende applicare e al tempo stesso validare un modello matematico 2D basato sull'equazione di Richards (Simunek et al., 1994), abbinato ad un recente modello di quantificazione dell'acqua trattenuta dalle piante (Ferraris, 1999). <<<