Velocità di sedimentazione dei solidi organici grossolani

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12436 (2023) Citare questo articolo

116 accessi

Dettagli sulle metriche

La velocità di sedimentazione di una particella è un parametro integrale nella modellazione e nella progettazione delle acque piovane. La velocità di sedimentazione può essere utilizzata per prevedere il destino e il trasporto delle particelle di acqua piovana e se le particelle contribuiscono al carico di nutrienti in un bacino idrografico. La previsione della velocità di sedimentazione delle particelle inorganiche è generalmente ben studiata e ben compresa. Le particelle organiche tendono a variare ampiamente nelle loro proprietà fisiche e attualmente non esistono standard stabiliti o equazioni empiriche per stimare la velocità di sedimentazione delle particelle organiche. Questo articolo presenta i dati degli esperimenti sulla velocità di sedimentazione delle foglie e dei semi degli alberi per comprendere meglio come le particelle organiche si depositano nel contesto delle equazioni della velocità di sedimentazione come quella sviluppata da Ferguson e Church. L'analisi dei dati raccolti ha mostrato che il secondo dei due coefficienti di resistenza (C2) utilizzati nell'equazione di Ferguson e Church era sensibile al tipo e alla forma delle particelle. Calcolando la media di C2 per tipo di particella e specie, è stata riscontrata una correlazione tra la velocità di sedimentazione osservata e la velocità di sedimentazione prevista dall'equazione di Ferguson e Church (R2 = 0,83). Con questi risultati, i modellatori e i progettisti delle acque piovane sono dotati di una migliore comprensione di come rappresentare le particelle organiche comuni in termini di velocità di sedimentazione. Ulteriori ricerche su una più ampia varietà di tipi e specie di particelle organiche amplierebbero il set di dati qui presentato.

L’urbanizzazione ha portato a sfide uniche nella gestione dell’acqua nelle città dominate da superfici impermeabili. La necessità di trattare, immagazzinare e infiltrare l’acqua a beneficio degli esseri umani e dell’ambiente è fondamentale poiché le popolazioni urbane continuano a crescere e i cambiamenti climatici intensificano gli eventi meteorologici1. L'acqua piovana, ovvero l'acqua piovana che scorre su superfici impermeabili, è nota come un trasportatore di sostanze inquinanti particolarmente ampio. L’acqua piovana trasporta inquinanti chimici, fisici e biologici nell’acqua ricevente, degradando la qualità dell’acqua e l’habitat acquatico2.

L'acqua piovana viene trattata utilizzando le misure di controllo dell'acqua piovana (SCM), ovvero strutture progettate per infiltrare, immagazzinare o trattare il deflusso dell'acqua piovana sulla base di principi scientifici di base3. Nelle aree residenziali urbane, i detriti grossolani inorganici e organici rappresentano inquinanti estremamente preoccupanti2. Le particelle organiche e inorganiche grossolane sono costituite da metalli4, sedimenti con nutrienti legati5 e materiali che rilasciano nutrienti6.

Molti SCM residenziali urbani si affidano alla sedimentazione per trattare l’acqua piovana3, rendendo la velocità di sedimentazione un parametro chiave nella progettazione e nella valutazione. Ad esempio, i bacini delle acque piovane sono un SCM molto comune che si trova lungo le strade e i parcheggi. I bacini delle acque piovane riducono i solidi sospesi totali e il fosforo totale che entrano nei corpi idrici a valle immagazzinando l'acqua piovana e consentendo ai sedimenti di depositarsi sul fondo del bacino prima di rilasciare l'acqua allo sbocco7.

La velocità di sedimentazione (w) è una proprietà fisica delle particelle che dipende dalla dimensione, dalla forma e dalla densità della particella. La velocità di sedimentazione per una gamma di dimensioni delle particelle può essere utilizzata nella modellazione del trattamento delle acque piovane per stimare l'efficienza di intrappolamento dei bacini8. La sedimentazione può anche essere stimata con un intervallo di valori di velocità di sedimentazione e queste informazioni sono necessarie per indicare quanto presto un bacino di infiltrazione si riempirà e dovrà essere dragato.

Numerosi studi esplorano e prevedono le velocità di sedimentazione delle particelle minerali non sferiche9,10,11,12. La velocità di sedimentazione può essere calcolata per particelle con diametro (D) e peso specifico (SG) noti utilizzando la Legge di Stokes13. I calcoli della legge di Stokes presuppongono che la particella che cade sia sferica, il che è generalmente valido per particelle minerali o sedimenti. I coefficienti di resistenza C1 (applicabile al flusso laminare) e C2 (applicabile al flusso turbolento) possono essere regolati per prevedere le velocità di sedimentazione dei minerali non sferici11.