Nell'ultimo anno, una cosa è diventata chiara:non possiamo vivere la vita senza rischi. Infatti, ogni parte della nostra routine quotidiana è diventata oggetto di analisi:quanto è rischiosa l'azione e il suo valore vale il costo potenziale?

Analisi del rischio, anche se apparentemente più presente nei nostri pensieri oggi, ha sempre fatto parte del modo in cui operiamo e di come funzionano i sistemi intorno a noi. Come nuove pressioni, come il cambiamento climatico, approfondire, l'accuratezza e l'affidabilità dei modelli di analisi del rischio relativi a questioni fondamentali come la pulizia della nostra acqua potabile sono diventate più importanti che mai.

ricercatori dell'USC, compreso Felipe de Barros, professore associato di ingegneria civile e ambientale presso la USC Viterbi School of Engineering, hanno sviluppato una varietà di modelli che possono aiutare a valutare come i contaminanti emergenti si disperdono, dissolvono e in definitiva influiscono sulla qualità dell'acqua e sulla resilienza delle falde acquifere.

"L'ambiente del sottosuolo è molto complesso e difficile da tracciare, perché non possiamo vederlo, " ha detto de Barros. "Non abbiamo informazioni dettagliate su quanto siano profondi i contaminanti, quanto lontano sono sparsi, da dove vengono, con quali altri contaminanti si sono mescolati o come variano le proprietà geologiche nello spazio".

Queste domande sono esattamente ciò su cui lavorano de Barros e il suo team. Recentemente, de Barros e collaboratori hanno sviluppato un modello analitico che può aiutare a prevedere la diffusione dei contaminanti in mezzi porosi fratturati in diversi scenari di flusso d'acqua. Questo lavoro è stato presentato in Fluidi per la revisione della fisica . Il vantaggio del modello analitico sviluppato da de Barros e collaboratori è che consente di esaminare le relazioni tra i vari parametri geologici e fisici per vedere come influiscono sulla dissoluzione di un contaminante mentre l'acqua scorre da un punto all'altro.

"È come studiare realtà alternative, come in un universo di fumetti, " ha detto de Barros. "Se riesci a capire cosa succede con ogni diverso scenario, puoi prevedere meglio i risultati in tempo reale e allocare meglio le risorse per mitigare il problema."

"Con strumenti come questo, puoi fare analisi probabilistiche del rischio e calcolare e valutare i rischi associati a un impianto di smaltimento dei rifiuti, Per esempio, o con una perdita accidentale, " ha detto. "Possiamo anche capire quanto velocemente queste sostanze chimiche viaggeranno in questi ambienti".

Per esempio, diciamo che c'è stata una fuoriuscita di sostanze chimiche vicino a una falda acquifera. Con un'accurata modellazione del rischio che tiene conto delle variabili eterogenee chiave nell'ambiente, gli operatori sanitari e gli organismi di regolamentazione potrebbero capire meglio quanto contaminante possono aspettarsi di essere alla fine della fonte d'acqua, ha detto de Barros.

"Questa modellazione può aiutare con domande come, 'Devo investire più soldi nella sanità pubblica o nella caratterizzazione del sito geologico? Dovrei chiudere il pozzo, che è molto costoso, o portare l'acqua del rubinetto da un'altra posizione o acquistare acqua in bottiglia, o si ha una ragionevole consapevolezza che l'acqua può ancora essere utilizzata, una volta trattato?" disse.

Un sistema complesso semplificato

Felipe de Barros e il suo team hanno esaminato la complessa fisica del flusso dell'acqua attraverso diversi sistemi di flusso, vale a dire dove flusso limitato, come attraverso una membrana porosa, incontra il flusso libero, come lo spazio tra due superfici porose. Il modo in cui queste aree interagiscono è importante per determinare come una sostanza chimica si dissolve o si mescola in una fonte d'acqua, Egli ha detto.

Invece di risolvere numericamente le equazioni fisiche per modellare risultati diversi, il team ha cercato di affrontare il problema sviluppando soluzioni analitiche a basso costo computazionale. Identificare le relazioni tra gli elementi del modello ha permesso loro di "esaltarlo", semplificando la matematica coinvolta distillando queste tendenze in un minor numero di termini, quindi incorporati nella loro equazione.

Per creare un modello che incapsulasse questi parametri e comportamenti chiave, i ricercatori hanno esaminato le caratteristiche geometriche delle strutture del sottosuolo. La porosità e la permeabilità dell'ambiente sotto la superficie o il rapporto d'aspetto che caratterizzano le fratture sono stati gli elementi chiave che sono stati considerati, ha detto de Barros.

Processo decisionale con i dati

È difficile prendere decisioni nel vuoto. Questo è il motivo per cui de Barros afferma che gli strumenti sviluppati all'interno del suo gruppo di ricerca potrebbero cambiare il modo in cui gli impianti di trattamento delle acque, i regolatori e altri decidono cosa fare in vari scenari. Poiché l'acqua di superficie diventa sempre più scarsa, le fonti sotterranee e le opzioni di trattamento dovranno essere sfruttate sempre di più. Allo stesso tempo, però, con inquinamento e contaminanti chimici che si riversano nelle fonti d'acqua, la sfida è identificare come misurare la sicurezza di un certo flusso senza comprendere appieno le incognite invisibili che lo influenzano.

Una cosa che la nostra ricerca mira a fare, de Barros ha detto è sviluppare modelli orientati all'applicazione che migliorino la nostra comprensione fondamentale sull'interazione tra i mezzi geologici e il comportamento di trasporto dei soluti. Ciò consentirebbe di vedere come la dispersione dei contaminanti è influenzata dalle condizioni di spostamento. Per esempio, come fa un contaminante a fuoriuscire dall'altra parte di una roccia fessurata rispetto a uno che non ha fessure? Poiché nell'acqua si possono trovare così tanti potenziali contaminanti, questo aiuta a creare una comprensione generale del sistema sottosuolo senza fare affidamento sulla conoscenza degli esatti contaminanti in questione.

Questa conoscenza può anche consentire il reverse engineering, ad esempio la costruzione di un sistema per avere determinate condizioni idrogeologiche che potrebbero aiutare a raggiungere la concentrazione chimica desiderata o la qualità dell'acqua.

"Capire come la concentrazione di una sostanza chimica cambia in un dato sistema attraverso lo spazio e il tempo può avere implicazioni per la salute pubblica, operazioni di trattamento delle acque e anche politiche di regolamentazione, per esempio come emesso dall'EPA degli Stati Uniti, ", ha detto de Barros.