Schematizzazione e modelli idrogeologici concettuali degli acquiferi carsici

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1 Schematizzazione e modelli idrogeologici concettuali degli acquiferi carsici Bartolomeo Vigna Dipartimento di Ingegneria dell Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture - Politecnico di Torino

2 L utilità dei modelli concettuali I sistemi acquiferi impostati in rocce carbonatiche sono generalmente piuttosto complicati e presentano notevoli differenze tra loro le complesse situazioni idrogeologiche che si incontrano nello studio di tali sistemi possono essere riferite a modelli concettuali semplificati

3 Modelli concettuali di funzionamento degli acquiferi in rocce carbonatiche - Sulla base delle modalità di circolazione delle acque - Sulla base delle modalità di alimentazione dell acquifero Discontinuità (faglie, fratture, giunti di strato con circolazione Discontinuità (faglie, fratture, giunti di strato con circolazione piuttosto lenta, funzione di serbatoi) piuttosto lenta, funzione di serbatoi) Cavità (circolazione piuttosto veloce, funzione di dreni) Differenti altezze dei livelli idrici legate Differenti alle altezze perite di dei carico livelli idrici legate alle perdite di carico Zona satura Zona satura

4 MODALITA DI CIRCOLAZIONE DELLE ACQUE NELL AMMASSO CARBONATICO Sistemi con dreno dominante Permeabilità EE-E Zona satura assente o molto ridotta Vulnerabilità molto elevata Sistemi a dreni interconnessi Permeabilità E Zona satura piuttosto sviluppata Vulnerabilità elevata Sistemi con circolazione dispersiva Permeabilità M-B Zona satura molto estesa Vulnerabilità media /

5 DIFFERENTI RISPOSTE IDRODINAMICHE E IDROGEOCHIMICHE Sostituzione Sistemi con dreno dominante Pistonaggio Sistemi a dreni interconnessi Omogeneizzazione Sistemi con circolazione dispersiva /

6 AREA DI ALIMENTAZIONE DI UN SISTEMA CARSICO L area di alimentazione di un sistema carsico è la porzione della superficie terrestre dove si formano e si rinnovano le risorse idriche che alimentano una sorgente carsica. Limite dell area di alimentazione Acquifero in rocce carbonatiche Acque di infiltrazione diretta (alimentazione primaria) Inghiottitoi Acque di ruscellamento superficiale (alimentazione secondaria) Sorgente Rocce non carbonatiche

7 Gli inghiottitoi sono punti di infiltrazione concentrata delle acque superficiali: l inghiottitoio della Carsena di Piaggia Bella

8 Le acque superficiali scorrono sui depositi a bassa permeabilità (depositi flisciodi che ricoprono i calcari) e si infiltrano in corrispondenza di un inghiottitoio

9 MODALITA DI ALIMENTAZIONE DI UN SISTEMA CARSICO Sistemi con alimentazione primaria prevalente Sistemi con alimentazione primaria e secondaria Sistemi con alimentazione secondaria prevalente /

10 Sistemi con alimentazione primaria prevalente: Vengono alimentati unicamente dalle acque di precipitazione Acquifero carbonatico basamento

11 Sorgenti campione delle Vene e delle Fuse: l area di alimentazione Valle Corsaglia Valle Ellero Spartiacque superficiale Valle Tanaro

12 TIPICO AMMASSO CARBONATICO COSTITUITO DA UNA SUCCESSIONE DI: Calcari arenacei Calcari puri Basamento Dolomie e calcari

13 La zona di alimentazione dei versanti settentrionali del M. Mongioie in alta Val Corsaglia

14 La zona di alimentazione delle Sorgenti Vene-Fuse interessa l intero massiccio del M. Mongioie

15 Geometria dell area carsica alimentante le Sorgenti delle Vene e delle Fuse Sorgenti Vene-Fuse

16 Ampie gallerie semiattive sono in grado di smaltire importanti volumi idrici

17 L area di emergenza delle Sorgenti Vene-Fuse Sorgente Vene Successione carbonatica Sorgente Fuse Faglia della Chiusetta Basamento metamorfico

18 La bocca a stramazzo realizzata presso le Sorgenti delle Fuse

19 L andamento annuale portate-precipitazioni della Sorgente delle Fuse evidenzia risposte agli eventi infiltrativi molto impulsive e marcate. La portata può passare da 30 a 1200 l/s nell arco di poche ore

20 01-gen gen gen feb feb mar mar mar apr apr mag mag mag giu giu lug lug ago ago ago set set ott ott ott nov nov dic dic dic-05 Andamento annuale della portata e della temperatura delle acque con una tipica risposta «a sostituzione» 1500 Portata [l/s] S orgente Fuse - dati orari Temperatura [ C] Portata Temperatura

21 01-gen gen gen feb feb mar mar mar apr apr mag mag mag giu giu lug lug ago ago ago set set ott ott ott nov nov dic dic dic-05 Andamento annuale della portata e della conducibilità elettrica delle acque (in verde) con una tipica risposta «a sostituzione» 1500 Portata [l/s] Sorgente Fuse - dati orari CE [ms/cm] Portata Conducibilità elettrica

22 In dettaglio si può osservare la rapidissima risposta idrodinamica e idrochimica della Sorgente delle Fuse in seguito ad importanti eventi infiltrativi Dopo 1 ora da inizio piena si osserva una caduta della conducibilità elettrica indicante l arrivo dell acqua di neoinfiltrazione

23 Sorgente campione Ray: l area di alimentazione Complesso basale Complesso alluvionale Aquifero carbonatico

24 L area di alimentazione costituita da ampie depressioni tettonico-carsiche

25 L ammasso è costituito da calcari dolomitici molto fratturati

26 03-gen gen gen feb feb mar mar apr apr apr mag mag giu giu giu lug lug ago ago ago set set ott ott ott nov nov dic dic gen gen-08 L andamento annuale della portata idrica in relazione agli apporti infiltrativi mostra ridottissime variazioni del flusso idrico Portata [l/s] Sorgente Ray - dati orari Precipitazioni [mm] Precipitazioni Portata

27 03-gen gen gen gen feb feb feb mar mar mar mar apr apr apr apr mag mag mag giu giu giu giu lug lug lug lug ago ago ago set set set set ott ott ott ott nov nov nov dic dic dic dic gen gen-08 L andamento della temperatura annuale delle acque (in rosso) mostra ridottissime variazioni dell ordine di alcuni centesimi di grado con una tipica risposta a omogenizzazione Portata [l/s] Sorgente Ray - dati orari Temperatura [l/s] Portata Temperatura

28 L andamento annuale della portata (in blu) e della conducibilità elettrica delle acque (in verde) mostra una notevole costanza con una tipica risposta a omogeneizzazione. Gli elevati valori della mineralizzazione sono legati alle ridottissime velocità del flusso 03-gen gen gen gen feb feb feb mar mar mar mar apr apr apr apr mag mag mag giu giu giu giu lug lug lug lug ago ago ago set set set set ott ott ott ott nov nov nov dic dic dic dic gen gen Portata [l/s] Sorgente Ray - dati orari CE [ms/cm] Portata Conducibilità elettrica specifica

29 Sistemi con alimentazione primaria e secondaria Sono alimentati sia dagli apporti diretti sia da acque provenienti da altri acquiferi Acquifero carbonatico travasi Basamento fratturato

30 L area di alimentazione del Sistema di Bossea comprende numerose porzioni dell ammasso metamorfico fratturato PRATO NEVOSO N BOSSEA ACQUIFERO CARBONATICO BASAMENTO INDIFFERENZIATO SORGENTI CARSICHE INGHIOTTITOI LIMITI DELLA IDROSTRUTTURA m STAZIONE PLUVIOMETRICA PROVINCIA DI CUNEO STAZIONE TERMO-PLUVIO-NIVOMETRICA REGIONE PIEMONTE

31 Le acque di ruscellamento provenienti dalle zone di rocce fratturate che bordano la struttura carbonatica alimentano l acquifero carbonatico Ammasso carbonatico

32 Un acquifero carbonatico lateralmente confinato dalle rocce del basamento metamorfico Ammasso carbonatico Basamento metamorfico

33 Le acque che ruscellano sul basamento impermeabile vengono poi assorbite attraverso diversi inghiottitoi in subalveo

34 Concentrazione [ppb] Curve di restituzione del tracciante immesso nel Rio di Roccia Bianca indifferenti condizioni idrodinamiche 8 7 IN SITUAZIONE DI MAGRA:velocità max 12 m/h Tempo [s] IN SITUAZIONE DI PIENA: velocità max 60 m/h

35 L andamento delle portate evidenzia una relativa costanza del flusso idrico: periodi di magra con valori di l/s (legati agli apporti del basamento) e piene fino a 1000 l/s

36 La mineralizzazione delle acque è piuttosto ridotta e abbastanza costante nel tempo (blandi incrementi durante i periodi di piena)

37 La temperatura delle acque, subisce blandi decrementi dei valori (intorno a 0.5 C) in occasione dei principali eventi infiltrativi

38 Il Sistema di Borello viene alimentato anche da un ampia zona dove sono presenti depositi morenici sovrastanti le rocce del basamento metamorfico Sorgenti di Borello sup. Sorgenti della Mottera

39 Gli apporti provenienti dal basamento condizionano pesantemente l idrodinamica e la chimica delle acque Sorgenti di Borello Sorgenti della Mottera Faglia di Borello

40 In corrispondenza della faglia tra le rocce carbonatiche e il basamento si è impostato un ampio vallone perdente Rocce carbonatiche Basamento 40

41 INFILTRAZIONE IN SUB-ALVEO Numerosi sono i punti di perdita in subalveo in corrispondenza del vallone principale

42 Curve di restituzione del tinopal e della fluoresceina immessi in due differenti punti Velocità superiori a 300 m/h (in piena).

43 L andamento pluriannuale della portata delle Sorgenti di Borello è caratterizzato da magre intorno a 70 l/s e piene massime di l/s

44 La portata idrica è in parte condizionata dagli apporti provenienti dai depositi morenici

45 Le variazioni pluriannuali della temperatura delle acque (in rosso) evidenziano variazioni superiori a 3 C legate agli apporti diretti superficiali

46 L andamento annuale della conducibilità elettrica (in verde) delle acque mostra valori della mineralizzazione delle acque piuttosto costanti e ridotti per l apporto delle acque dai depositi morenici e dal basamento

47 La risposta della mineralizzazione delle acque in un singolo evento di piena mostra variazioni piuttosto contenute

48 Sistemi con alimentazione secondaria prevalente: Vengono alimentati prevalentemente dai corsi d acqua superficiali Acquifero secondario Acquifero carbonatico Basamento metamorfico

49 Esempio di un sistema con alimentazione secondaria prevalente (T. Vermenagna e Rio Valgrande Sorgenti di S. Macario)

50 Il Torrente Vermenagna a monte delle perdite

51 Il flusso idrico diminuisce progressivamente

52 Il Torrente Vermenagna prima del fronte sorgivo di S. Macario

53 Una venuta del fronte sorgivo di S. Macario che viene alimentato prevalentemente dalle acque del Torrente Vermenagna e dal Rio Valgrande (portata ca l/s)

54 Concentrazione del colorante (ppb) Curva di arrivo della fluoresceina alla Sorgente di S. Macario. Il tracciante è stato immesso nel Torrente Vermenagna 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Tempo di arrivo (ore)

55 Curva di arrivo del tinopal alla Sorgente di S. Macario. Il tracciante è stato immesso nel Rio Valgrande Concentrazione del colorante (ppb) Tempo di arrivo (ore)

56 Valori dei principali parametri chimico-fisici delle acque della Sorgente S. Macario, del Torrente Vermenagna e del Rio Valgrande Campione San Macario Rio Val Grande Vermena gna Monte Data T [ C] CE a 20 C [ms/cm] TH [ f] Ca 2+ [mg/l] Mg 2+ [mg/l] Na + [mg/l] K + [mg/l] Cl - [mg/l] SO 4 2- [mg/l] HCO 3 - [mg/l] NO 3 - [mg/l] , ,29 10,70 1,58 0,38 1,31 39,48 124,47 2, , ,93 6,81 1,10 0,58 0,46 72,89 136,19 2, , ,10 7,29 1,86 0,87 1,83 44,26 135,76 2,09 San Macario Rio Val Grande Vermena gna Monte , ,11 6,81 1,05 < 0,10 1,75 59,72 123,07 3, , ,54 7,54 0,68 < 0,10 0,93 83,32 125,88 3, , ,13 6,56 1,35 < 0,10 2,06 68,37 138,63 2,40

57 Risultati delle analisi batteriologiche eseguite sulle acque della Sorgente di S. Macario, del Torrente Vermenagna e del Rio Valgrande Campione Data Coliformi [ufc/100ml] Escherichia coli [ufc/100ml] Enterococchi [ufc/100ml] Clostridium perfringens (spore comprese) [ufc/100ml] San Macario Rio Val Grande Vermenagna Monte San Macario Rio Val Grande Vermenagna Monte

58 Esempio di una sorgente con alimentazione secondaria prevalente: Torrenti Gesso e Bedale Sorgenti del Bandito Sorgente del Bandito

59 La captazione delle Sorgenti del Bandito è costituita da una galleria drenante che intercetta diverse venute. La portata complessiva è di ca. 600 l/s

60 10,000 I VENUTA II VENUTA I CAPTAZIONE II CAPTAZIONE BEDALE GESSO 1,000 0,100 Confronto tra i principali parametri chimici delle acque dei Torrenti Gesso e Bedale e delle venute captate dalla galleria del Bandito 0,010 Calcio Magnesio Alcalini Cloruri Solfati Bicarbonati Nitrati

61 10,000 I VENUTA BEDALE 1,000 Confronto tra i principali parametri chimici delle acque del Torrente Bedale e di una venuta captata dalla galleria del Bandito 0,100 0,010 Calcio Magnesio Alcalini Cloruri Solfati Bicarbonati Nitrati

62 10,000 1,000 0,100 II VENUTA GESSO Confronto tra i principali parametri chimici delle acque del Torrente Gesso e della venuta principale captata dalla galleria del Bandito 0,010 Calcio Magnesio Alcalini Cloruri Solfati Bicarbonati Nitrati

63 Andamento delle portate della Sorgente Bandito e del Torrente Gesso

64 Andamento nel tempo della conducibilità elettrica del Torrente Gesso e delle Sorgenti del Bandito

65 Andamento nel tempo del contenuto in Mg del Torrente Gesso e delle Sorgenti del Bandito

66 Andamento nel tempo del contenuto in solfati del Torrente Gesso e delle Sorgenti del Bandito

67 Conclusioni La caratterizzazione degli acquiferi in rocce carbonatiche deve passare attraverso molteplici metodologie I differenti modelli concettuali proposti (sulla base delle modalità di alimentazione dell acquifero e sulla base delle modalità di circolazione delle acque) possono aiutare gli operatori a comprendere il funzionamento di un dato acquifero e di conseguenza valutarne la sua vulnerabilità all inquinamento

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