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Previsione della riduzione dell'inquinamento atmosferico da traffico veicolare in ambiente urbano

La previsione della riduzione dell'inquinamento atmosferico da traffico veicolare comporta l'applicazione di metodiche di analisi fisico-matematica del processo di dispersione di inquinanti in ambiente urbano. Lo studio che si è effettuato per conto ANAS - Compartimento della Toscana, si è concretizzato nella realizzazione di una procedura analitica che consente una stima immediata dei livelli di inquinamento in aree congestionate dal traffico.

Sintesi metodologica
La metodologia proposta definisce un modello integrato assegnazione-emissione-diffusione caratterizzato da una rappresentazione soddisfacente dei fenomeni cinematici propri del flusso di traffico in ambiente urbano.
I dati assunti come riferimento sono:

1. la distribuzione dei veicoli ed i regimi di traffico prevalenti in un'area urbana,
2. le emissioni veicolari in funzione dei cicli di guida standard, comprensive della definizione dei fattori di tossicità dei prodotti della combustione nei motori per autotrazione,
3. la caratterizzazione fisica del fenomeno della ventilazione urbana.

I sottomodelli integrati sono:

1. modelli di traffico ed emissione relativi a scenari di rete e scenari di macro-area;
2. modelli di campo per il fenomeno della dispersione di inquinanti su scala locale risolubili con codici commerciali di fluidodinamica numerica;
3. un modello di dispersione di tipo gaussiano multisorgente in grado di descrivere gli effetti indotti dalla presenza di un'orografia complessa sul fenomeno della dispersione di inquinanti emessi da sorgenti al suolo in moto relativo anche in condizioni di calma di vento;

I dati di riferimento derivano da:

• un'indagine statistica delle distribuzioni di traffico e dei regimi di guida prevalenti nei flussi veicolari lungo le direttrici principali e sulle vie di accesso alle intersezioni nonché la distribuzione degli impianti semaforici e delle fasi di regolazione ad essi proprie;
• prove di laboratorio mirate a caratterizzare le emissioni di diverse categorie di autoveicoli al variare delle caratteristiche del motore e dei regimi di guida;
• un indagine statistica delle caratteristiche meteo-climatiche e della conformazione urbanistica del sito.

Le caratteristiche salienti dei sottomodelli adottati possono essere così sintetizzate:

1. un modello di traffico ed emissione relativo a scenari di macro-area utilizza un approccio euleriano, ossia, valuta l'effetto inquinante di una determinata distribuzione di traffico al variare della composizione veicolare assumendo come grandezze fondamentali la velocità media dei veicoli nella porzione di spazio considerata e la velocità media del vento sulla regione in studio e fornendo una stima globale della concentrazione di inquinanti in funzione del tempo;
2. un modello di traffico ed emissione relativo allo scenario di rete è costruito seguendo due diversi approcci: un approccio euleriano che utilizza il metodo proprio della fluidodinamica per descrivere le fasi di accelerazione e decelerazione dei veicoli come effettivamente si realizzano secondo la teoria della propagazione delle onde d'urto nei fluidi comprimibili in regime di moto laminare o turbolento; un approccio lagrangiano basato sulla stima delle condizioni di moto istantanee dei veicoli in  base a modelli di guida sicura dai quali si deriva la posizione mutua degli stessi tenendo  conto delle condizioni del flusso e delle indicazioni delle luci semaforiche;
3. un modello di campo per il fenomeno della dispersione di inquinanti su scala locale è costruito discretizzando su una griglia opportuna le equazioni che modellano il flusso laminare o turbolento dell'aria nella regione di interesse ed integrando con metodi numerici opportuni  il sistema di equazioni algebriche non lineari ed accoppiate risultante;
4. un modello gaussiano multisorgente è definito da formule derivate dall'integrazione analitica dell'equazione della dispersione assumendo distribuzioni gaussiane delle concentrazioni di inquinanti nelle direzioni coordinate caratterizzate da coefficienti di diffusione dipendenti dalle distanze sottovento al punto di emissione e variabili in funzione delle condizioni meteoclimatiche e dell'orografia del sito;

I risultati forniti dai modelli di campo e dai modelli gaussiani sono verificabili attraverso un sistema mobile di misura della Qualità dell'Aria in ambiente urbano.

Sottosistemi traffico ed emissioni
I modelli di traffico sviluppati sono modelli lagrangiani costruiti adottando:

• il criterio di guida sicura, basato sul rispetto delle distanze di sicurezza, definito in base al tempo di reazione del conducente;
• il criterio della funzione velocità ottimale definita attraverso la relazione:

 V(Dx) = V₀ [1 - tanh m (Dx -bf) - tanh m (bc -bf )]

La velocità massima dei veicoli, utilizzata nel criterio di guida sicura, è determinata dalla funzione velocità ottimale.

I modelli di emissione sviluppati calcolano le emissioni allo scarico degli inquinanti convenzionali in funzione della velocità media degli autoveicoli attraverso opportune correlazioni semi-empiriche tratte dalla letteratura specializzata. Le relazioni utilizzate nel codice derivano dai risultati tabellati; lo schema di calcolo adottato considera il numero totale di veicoli circolanti, le caratteristiche emissive del parco immatricolato e la distanza percorsa dai veicoli nell'unità di tempo su un determinato arco viario, al variare del modello di traffico adottato.

Sottosistema meteoclimatologico
I fattori orografici e meteo-climatici che influenzano le concentrazioni di inquinanti in ambiente urbano sono:

• la forma, la distribuzione spaziale, la densità degli edifici, i.e., l'orografia della rete viaria
• l'effetto isola di calore urbano.

Influenza dell'orografia della rete viaria sul fenomeno della dispersione.

Il flusso d'aria attorno ad un ostacolo isolato, noto come isolated roughness flow, è caratterizzato dalle seguenti strutture:

• un "bolster eddy vortex", localizzato a monte dell'edificio, dovuto all'impatto del flusso d'aria sulla faccia sopra vento;
• un "lee eddy vortex" nella cavità a valle dell'edificio, indotto dalla separazione del flusso in corrispondenza degli spigoli della sagoma dell'edificio stesso;
• una "building wake", localizzata a valle dell'edificio e caratterizzata da un aumento locale del livello di turbolenza ed una diminuzione di velocità rispetto al flusso medio.

Lo street canyon è l'unità geometrica base della rete viaria in ambito urbano. L'unità introdotta, quando si sia interessati a determinare la struttura principale del flusso d'aria su un agglomerato
urbano al variare delle condizioni meteo-climatiche da utilizzare nella descrizione del fenomeno della dispersione di sostanze inquinanti emesse dal traffico veicolare, può essere modellizzata da
una sezione retta, ovvero si assume che gli edifici circostanti un arco viario siano di lunghezza semi- infinita.
La sezione retta di una microarea urbana può essere approssimata da una ripetizione arbitraria delle unità geometriche elementari. Gli indicatori geometrici necessari alla caratterizzazione del dominio di dispersione sono il fattore di forma degli street canyons, definito come il rapporto fra l'altezza dell'edificio e la distanza fra due edifici adiacenti, e la densità degli edifici, definita come il rapporto fra la superficie media coperta dagli edifici e l'area di pertinenza del singolo edificio.

La geometria di un agglomerato urbano influenza la capacità ecologica di una rete viaria su due scale:

• mesoscala: la distribuzione degli edifici, assimilabili ad elementi di rugosità superficiale fissata del piano di campagna, modifica la struttura dello spettro della turbolenza, la forma del profilo verticale della velocità del vento, lo spessore dello strato limite fluidodinamico;
• microscala: il regime di flusso turbolento attorno ad ogni singolo edificio e l'interferenza fra le scie generate dai singoli edifici sono responsabili degli effetti di microscala nell'intorno di un singolo edificio che influenzano la capacità dispersiva degli archi viari costituenti la rete.

Il parametro fondamentale nella descrizione dell'atto di moto dell'aria nello strato limite urbano è la roughness length: maggiore è il valore del parametro introdotto, maggiore è l'intensità della turbolenza, maggiore è l'altezza alla quale il flusso risente degli effetti delle pareti.
Un agglomerato urbano, per la presenza e la distribuzione degli edifici, risulta caratterizzato da una rugosità intrinseca elevata. Esiste, tuttavia, un valore limite oltre il quale il parametro rugosità decresce poiché l'interferenza fra le scie prodotte dai singoli edifici inibisce i meccanismi di generazione della turbolenza di origine meccanica. Il parametro rugosità relativa, definito come rapporto fra la roughness length e la average height degli edifici, aumenta con la densità degli edifici fino a raggiungere un punto di massimo assoluto pari a 0,2-0,3 per una densità di edifici pari a circa 0,25, quindi decresce. Il massimo effetto della rugosità relativa si verifica, in modo approssimato in corrispondenza della transizione dal regime di wake interference al regime di skimming flow che si realizza per un valore del fattore di forma pari a 0,65.
Il trasporto e la diffusione degli inquinanti all'interno del canopy layer dipende fortemente dall'intensità e dalla direzione del vento alla quota degli edifici, dal livello di turbolenza, dalla geometria dell'agglomerato degli edifici.
La dispersione di inquinanti è buona quando il fattore di forma è molto minore del valore limite 0,65 ed è fortemente influenzata dalla componente orizzontale del vettore velocità del vento. La distribuzione spaziale degli inquinanti può presentare, in presenza della configurazione geometrica precedentemente descritta, picchi locali nella lee cavity degli edifici isolati: esiste tuttavia un rilevante scambio di massa fra l'aria inquinata dalle sorgenti al suolo e l'aria pura dello strato immediatamente sovrastante.
La dispersione di inquinanti è cattiva quando il fattore di forma è superiore al valore limite 0,65: lo sviluppo di un vortice stabile all'interno dello street canyon determina una riduzione dello scambio di massa fra il canopy layer e il boundary layer. Lo sviluppo tangenziale del vortice è ancora guidato dal flusso medio al di sopra dei tetti degli edifici ma l'accoppiamento fra canopy layer e boundary layer diviene meno efficace al crescere del fattore di forma. Il flusso discendente che si instaura sulle pareti dello street canyon esposte al vento è caratterizzato da aria relativamente pura in prossimità dei tetti e da aria progressivamente inquinata mentre esoo procede verso il piano
stradale per effetto dell'entrainment delle sostanze inquinanti emesse dalle sorgenti al suolo. Il flusso d'aria alla base degli edifici attraversa la sorgente inquinante costituita dai veicoli. Le concentrazioni raggiungono i valori massimi in corrispondenza del muro sottovento ed in prossimità del suolo per poi decrescere con la quota.
Un elevato fattore di forma determina la formazione di un vortice secondario controrotante rispetto al vortice principale. Le concentrazioni alla base dello street canyon aumentano essendo inibito lo scambio di massa fra i due vortici.
Una velocità del vento bassa alla quota dei tetti degli edifici inibisce la formazione dei vortici all'interno degli street canyon dando origine a fenomeni di ristagno caratterizzati da elevate concentrazioni di inquinanti. L'effetto di ristagno in condizioni di calma di vento può essere mitigato qualora i vincoli termici siano tali da indurre l'instaurarsi di moti convettivi.
La qualità dell'aria in una rete viaria è migliorata quando la distribuzione degli edifici è tale da generare strutture vorticose che, staccandosi dagli spigoli degli edifici caratterizzati da dimensioni verticali maggiori delle dimensioni medie dell'agglomerato, intensificano lo scambio di massa fra il canopy layer e il boundary layer.
Il regime di skimming flow rappresenta il regime in presenza del quale la qualità dell'aria negli street canyon risulta essere peggiore.
L'intensità di rotazione del vortice raggiunge i valori massimi quando il fattore di forma è prossimo ad 1.

Gli episodi di inquinamento pericolosi per la popolazione di una città si verificano sempre in corrispondenza ad una particolare situazione meteorologica invernale che determina l'instaurarsi di una configurazione di flusso dell'aria responsabile dell'effetto isola di calore urbana. L'effetto considerato consiste nella formazione di una cappa dovuta alle differenze di temperatura dell'aria e di energia solare disponibile al suolo fra l'agglomerato urbano e la campagna circostante. Il gradiente verticale di temperatura nell'aria urbana, determinato dal riscaldamento degli edifici, si scontra con l'inversione termica verticale caratteristica della campagna senza riuscire a rompere tale
fronte freddo provocando la formazione di una calotta, caratterizzata da una altezza massima localizzata in corrispondenza della zona cittadina a maggiore densità abitativa, all'interno della quale rimangono confinati i flussi emessi dalle sorgenti inquinanti. La situazione descritta può stabilizzarsi in condizioni di calma di vento e l'intrappolamento delle emissioni inquinanti in un sistema chiuso determina l'instaurarsi di livelli di concentrazione elevati ai quali si accompagnano fenomeni di crisi respiratoria acuta fra la popolazione.

Modellistica matematica
Il fenomeno della dispersione di sostanze inquinanti all'interno di uno street canyon può essere condotto formulando opportuni modelli di campo definiti da equazioni di bilancio per la massa, l'energia, la quantità di moto, gli indicatori locali di turbolenza, risolti per mezzo di codici di fluidodinamica numerica. Le soluzioni ottenute consentono una caratterizzazione locale del campo di moto e della dispersione di sostanze inquinanti all'interno di un dominio di calcolo limitato.
Modelli di campo possono essere formulati e risolti variando i seguenti parametri:

• il fattore di forma dello street canyon;
• il profilo di velocità del vento alla sommità degli edifici;
• i vincoli termici.

Il profilo di velocità del vento ed i vincoli termici consentono di caratterizzare le condizioni meteoclimatiche di microscala, fra le quali sono degne di nota, in quanto ricorrenti in contesto urbano durante la stagione invernale, le condizioni proprie dell'effetto isola di calore urbano; il fattore di forma dello street canyon determina l'orografia locale del sito.
I parametri introdotti influenzano in modo determinante la formazione dei vortici all'interno di uno street canyon e per essi il fenomeno della dispersione degli inquinanti.
I modelli di diffusione adottati per la stima dei livelli di inquinamento al suolo su macroscala sono modelli gaussiani dei seguenti tipi:

• modelli a puff per sorgenti puntiformi istantanee,
• modelli a pennacchio per sorgenti puntiformi continue.

Le formule che costituiscono i modelli sono derivate dalla soluzione dell'equazione della dispersione sotto idonee condizioni iniziali ed al contorno nell'ipotesi che i moti dell'aria sul dominio di dispersione siano assimilabili ad un flusso turbolento omogeneo e stazionario.
Il metodo delle sorgenti immagine consente di inglobare nelle formule l'effetto delle riflessioni sul contorno del dominio e della presenza di uno strato di inversione.
I coefficienti di dispersione inglobati nei modelli consentono di caratterizzare il fenomeno in relazione alle condizioni meteoclimatiche ed alla configurazione orografica del sito.

Indice delle emissioni ed indice della qualità dell'aria.
L'effetto delle emissioni e l'azione di una strategia di riduzione sull'inquinamento dell'aria può essere sintetizzato introducendo opportuni indici:

• Indice delle emissioni.
• Indice di Qualità dell'aria.
• Indice di valutazione dell'impatto atmosferico.

Risultati del modello di campo applicato alla dispersione
Grafici opportuni simulano numeriche condotte su domini bidimensionali ricoperti con griglie di calcolo uniformi nelle direzioni coordinate utilizzando un codice commerciale di fluidodinamica che risolve  con una strategia di integrazione ai volumi finiti le equazioni di conservazione della massa e della quantità di moto e le equazioni di bilancio degli indicatori locali di turbolenza. La griglia di calcolo adottata in entrambe le configurazioni geometriche analizzate comprende 200 x 300 celle attive per un totale di 60.000 celle. Esse riproducono uno street canyon urbano caratterizzato da un fattore di forma, definito come il rapporto fra l'altezza degli edifici e la larghezza di separazione, pari ad uno. L'estensione reale del dominio simulato ha suggerito di utilizzare, al fine di ottenere soluzioni accurate del flusso, opportune leggi di scala per le lunghezze e le velocità caratteristiche attraverso le quali le simulazioni sono state condotte in condizioni di completa similitudine dinamica.
Le traiettorie delle particelle traccianti equivalenti alle emissioni di sostanze inquinanti da autoveicoli presenti negli street-canyons simulati sono state ottenute attraverso un modello di diffusione lagrangiano. Essendo noto il campo medio di velocità si integrano, attraverso opportuni metodi numerici, le equazioni stocastiche rappresentative del moto delle particelle.

Considerazioni pre indagini
Le emissioni di sostanze inquinanti da traffico veicolare sono influenzate da numerosi fattori che riguardano sia l'emissione prodotta dai singoli veicoli sia l'emissione complessivamente dovuta al flusso di traffico che transita sul tratto viario considerato.
I fattori connessi al singolo veicolo sono:

• il ciclo termodinamico e la regolazione del motore
• l'età e lo stato di manutenzione dell'autoveicolo
• la temperatura del fluido refrigerante
• il tipo e la qualità di combustibile utilizzato
  la presenza o l'assenza di convertitori catalitici
• le condizioni di circolazione ed il flusso di traffico.

Le emissioni globalmente prodotte da un flusso di traffico dipendono, quindi, dalla composizione del parco circolante sul tratto viario considerato, dalla quantità e dal regime di traffico e sono influenzate dalle condizioni meteo-climatiche del sito.
La gestione della mobilità nel suo complesso soprattutto in ambiti urbani industrializzati e/o caratterizzati da elevata presenza di terziario avanzato richiede uno studio dettagliato di possibili interventi per la riduzione del traffico veicolare quali la distribuzione sul territorio delle funzioni urbane, l'organizzazione dei tempi di lavoro e delle scuole, le infrastrutture, l'offerta dei servizi di trasporto pubblico, l'imposizione di pedaggi per l'entrata, la circolazione, la sosta nei centri cittadini.
I possibili interventi sul traffico veicolare mirati al miglioramento delle condizioni ambientali possono essere analizzati utilizzando il concetto di capacità ambientale delle strade.
Si definisce capacità di una strada il valore massimo del flusso dei veicoli che su di esso si ammette possa transitare: esso rappresenta un primo vincolo al funzionamento di ogni arco stradale di una rete di trasporto.
Il parametro di controllo introdotto può assumere valori di soglia diversi attraverso i quali caratterizzare gli stati di ogni arco viario:

• valore di capacità corrispondente al raggiungimento di un volume di traffico inaccettabile per il funzionamento della strada in quanto via di trasporto, detto capacità fisica di una strada;
• valore di capacità corrispondente al raggiungimento di un volume di traffico inaccettabile per una o diverse componenti dell'ambiente esterno, detto capacità ambientale di una strada;

La capacità ambientale di un tratto viario, in un agglomerato urbano, è sempre inferiore alla capacità fisica ad esso propria.
Quando la capacità ambientale è superiore alla capacità fisica di un arco viario non si rende necessario alcun intervento volto a garantire la compatibilità ambientale dell'arco stesso; quando la capacità ambientale è inferiore alla capacità fisica e la domanda di trasporto è tale da generare flussi di traffico superiori alla capacità fisica, la rete di trasporto tende a funzionare generando condizioni ambientali insostenibili.

Gli interventi possibili affinché il flusso veicolare non oltrepassi la capacità ambientale di un tratto viario sono sintetizzati nella tabella che segue: