Fonti di contaminazione nei sedimenti delle vasche di ritenzione e influenza del tipo di precipitazione sull'entità del carico inquinante

Dec 11, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8884 (2023) Citare questo articolo

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La densificazione delle città e della popolazione urbana contribuisce all’aumento del deflusso e dei solidi sospesi e all’alterazione del ciclo idrico urbano. Al giorno d'oggi, le infrastrutture blu-verdi vengono promosse per aumentare la resilienza di una città alle inondazioni; tuttavia, i sistemi di drenaggio delle acque piovane, supportati da vasche di ritenzione, sono ancora importanti per proteggere le aree urbane dalle inondazioni. L'accumulo di sedimenti nelle infrastrutture delle acque piovane è legato a un problema di inquinanti come metalli pesanti, sostanze nutritive, ecc. La ricerca sull'origine degli inquinanti associati alla sospensione e, in definitiva, ai sedimenti accumulati nelle acque reflue può portare nuove conoscenze sui processi nei bacini idrografici urbani. Si tratta del primo studio incentrato sull'analisi degli isotopi stabili del carbonio e dell'azoto nei sedimenti di fondo raccolti dalle vasche di ritenzione comunali per verificare l'origine degli inquinanti depositati immediatamente dopo le piene pluviali. La ricerca è stata inoltre estesa con analisi della qualità dell'acqua immediatamente dopo tre tipi di tempo: un periodo secco, precipitazioni tipiche (< 30 mm) e piogge torrenziali (2 eventi con precipitazioni giornaliere superiori a 30 mm che hanno causato inondazioni pluviali dell'area cittadina). Le analisi dei sedimenti hanno indicato che la principale fonte di carbonio e azoto sul fondo dei serbatoi di ritenzione era stata portata con il deflusso delle acque piovane dall'area cittadina. I fertilizzanti organici azotati sembravano essere la principale fonte di azoto, mentre le fonti di carbonio organico erano miste: piante terrestri C3, legno e olio. Inoltre, si è scoperto che le piogge torrenziali hanno causato un aumento di 23 volte della concentrazione di N-NO3, un aumento di sette volte della concentrazione di P-PO4 e un aumento di oltre cinque volte della concentrazione di materia organica, rispetto alle precipitazioni tipiche.

L'urbanizzazione contribuisce ad aumentare la quantità di solidi sospesi che fluiscono nelle acque. Il risultato è un ulteriore apporto di nutrienti, materia organica, pesticidi e altri inquinanti che provoca il degrado dei sistemi di acqua dolce in tutto il mondo. L'afflusso di solidi sospesi contribuisce inoltre ad aumentare la torbidità, riduce la penetrazione della luce negli strati più profondi dei corsi d'acqua e dei bacini artificiali, oltre ad influenzare la morfologia dei canali e delle infrastrutture idriche. Secondo Walling e Collins1, il trasporto di nutrienti con sedimenti e la contaminazione per sospensione rappresentano le maggiori minacce per l’acqua dolce, perché vettore di altri inquinanti (metalli pesanti, microplastiche, prodotti farmaceutici). Inoltre, la maggior parte degli scenari di cambiamento climatico prevedono un aumento irreversibile dell’erosione del suolo, accompagnato da un cambiamento rilevante nei modelli delle precipitazioni2.

Le soluzioni che proteggono le aree urbane dalle inondazioni si dividono in ritenzione e infiltrazione e prendono il nome di Green Infrastructure3. Al giorno d’oggi, il modo più efficace per gestire le acque piovane e proteggere le città dalle inondazioni pluviali è una protezione multilivello. Il primo livello è una strategia infrastrutturale blu e verde (come giardini pluviali, tetti verdi ecc.), che contribuisce a limitare il deflusso e il possibile accumulo di acqua nel bacino idrografico per facilitare l’infiltrazione o il riutilizzo delle acque piovane nel luogo di origine. Secondo questa concezione le vasche di ritenzione rappresentano il secondo livello di protezione. Oltre alla protezione dalle inondazioni in caso di piogge torrenziali di breve durata, consentono di fornire una fonte idrica alternativa per migliorare l’affidabilità e la sicurezza dell’approvvigionamento idrico (compresi i processi di trattamento)4,5 e fungono da aree ricreative; pertanto, possono fornire vari servizi ecosistemici, a seconda delle loro dimensioni, ubicazione e esigenze sociali.

Una limitazione fondamentale dei serbatoi di ritenzione, per quanto riguarda la protezione dalle inondazioni, è il fatto che hanno un effetto abbastanza limitato sui picchi di flusso durante piogge prolungate. Questa limitazione si verifica quando i serbatoi si riempiono completamente durante le precipitazioni e non compensano l'afflusso durante ulteriori precipitazioni. In tali occasioni, inoltre, sono soggetti a guasti, con conseguente deflusso incontrollato delle acque alluvionali. Le analisi idrologiche, finalizzate principalmente al calcolo della capacità di ritenzione del giacimento e al controllo del riempimento, sono già state ampiamente descritte in letteratura. Questi lavori si basavano sul modello SWMM unidimensionale6,7,8 e CADDIES9 bidimensionale, oppure su un modello SWAT più ampio10, che hanno già avuto risultati soddisfacenti nella previsione delle minacce11,12. La maggior parte della ricerca focalizzata sui bacini idrici, tuttavia, riguarda solo la ritenzione idrica, dimenticandosi degli inquinanti trasportati dall’acqua piovana. L'acqua in ingresso contiene solidi sospesi che rappresentano un vettore, tra gli altri, di metalli pesanti, composti del fosforo e IPA, che depositano sul fondo dei serbatoi provocando l'accumulo di solidi13,14. Numerosi processi hanno luogo al confine dell'acqua sedimentaria, tra cui la sedimentazione, la risospensione e la deposizione dei sedimenti di fondo, che sono stati discussi in dettaglio da Lu et al.15 e Nawrot et al.16. Numerosi studi hanno fatto riferimento ad analisi dei sedimenti e/o della qualità delle acque dei corsi d'acqua urbani e dei bacini di ritenzione16,17,18,19. Sebbene il processo dominante sia la sedimentazione (durante le normali condizioni di flusso), anche così gli inquinanti depositati nei sedimenti possono comportare un rischio di ricontaminazione quando avviene la risospensione, ad esempio durante gli episodi di alluvione20,21. Ciascuno di questi aspetti è stato descritto separatamente; tuttavia, mancano studi completi che coprano tutti gli aspetti sopra menzionati. Amundson et al.22 hanno notato che i cambiamenti nell'uso del suolo e nell'antropopressione contribuiscono ad un aumento dei processi di erosione, e quindi ad un aumento dei carichi di solidi sospesi. La ricerca di metodi per verificare la fonte dei contaminanti accumulati nei sedimenti del fondo è stata effettuata utilizzando diversi metodi di rilevamento delle impronte digitali dei sedimenti. Per molti anni sono stati ampiamente utilizzati metodi legati alla ricerca geochimica o alla ricerca sui radionuclidi ricaduti, e persino una combinazione dei due. Tuttavia, questi metodi non fanno riferimento all’area analizzata. Al contrario, l'analisi isotopica è uno strumento utile e preciso, che indica l'origine degli elementi selezionati. Nell'analisi isotopica i valori caratteristici si riferiscono alle piante C3 e C4 (si tratta di gruppi di piante dipendenti dal corso della fotosintesi) nonché ai suoli locali. I valori prossimi a quelli caratteristici indicano appunto l'origine elementale.