DINAMICA DEGLI INQUINANTI A.A CICLO IDROLOGICO STRUTTURA DEL SUOLO E SOTTOSUOLO PROPRIETA DEL SUOLO PROF.

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1 DINAMICA DEGLI INQUINANTI A.A CICLO IDROLOGICO STRUTTURA DEL SUOLO E SOTTOSUOLO PROPRIETA DEL SUOLO PROF. RENATO BACIOCCHI

2 ARGOMENTI TRATTATI: Ciclo idrologico Il suolo e il suo profilo verticale Strutture idrogeologiche semplici (tipi di acquiferi) Principali parametri fisici del suolo 2

3 CICLO IDROLOGICO Insieme di fenomeni che si ripetono ciclicamente e che hanno come motore l energia solare. Il sole determina l evaporazione di notevoli masse idriche dai bacini oceanici e continentali trasferendole nell atmosfera. Nell atmosfera, tali masse idriche sono soggette a variazioni di temperatura e pressione tali da provocare la condensazione e la ricaduta sulla superficie terrestre sotto forma di precipitazioni (P) pioggia, neve, grandine, ecc. All atto di recepire tali precipitazioni, la superficie terrestre esplica una funzione separatrice, suddividendo la quantità (P) in tre parti: Una ritorna direttamente all atmosfera per evaporazione e traspirazione della copertura vegetale (ET); Una, detta scorrimento superficiale (S), resta al di sopra della superficie del suolo e su di essa si sposta per gravità raggiungendo i bacini oceanici e continentali; Una penetra al di sotto della superficie del suolo, infiltrazione (I), ove dà luogo a masse idriche contenute negli interstizi delle rocce. Tali masse idriche si postano anch esse per gravità verso gli oceani e quindi il ciclo ricomincia. 3

4 CICLO IDROLOGICO L intero ciclo idrologico può essere espresso dalla relazione: P = ET + S + I 4

5 IL SUOLO Il suolo è un sistema eterogeneo, polifasico,, particellare, disperso. Sistema eterogeneo: sistema in cui le proprietà fisiche e chimiche che lo caratterizzano non sono uniformi. Sistema polifasico: sistema contenente più sostanze. Nel suolo, le tre fasi di natura ordinaria sono rappresentate come segue: i grani del terreno costituiscono la fase solida (matrice solida) la fase liquida, data dall acqua del suolo e dalle sostanze in essa disciolte. la fase gassosa, costituita dalla frazione di vuoti riempiti d aria. Sistema particellare, disperso: sistema nel quale almeno una delle fasi è suddivisa in numerose minute particelle, che insieme mostrano una 5 superficie specifica molto elevata.

6 IL SUOLO V g GASSOSA m g V V l LIQUIDA m l m V s SOLIDA m s Fasi costituenti un elemento di terreno 6

7 IL PROFILO VERTICALE DEL TERRENO (3/3) 7

8 IL PROFILO VERTICALE DEL TERRENO (1/3) Il profilo verticale del terreno è raramente uniforme con la profondità e in genere consiste in livelli, o strati, più o meno distinti. Partendo dal piano campagna, in genere, si possono distinguere diverse zone: ZONA DI EVAPOTRASPIRAZIONE: è lo strato più superficiale, sede di attività biologica (vegetale e animale). In questa zona avvengono gli scambi idrici con l atmosfera: l alimentazione in acqua meteorica e le perdite per evaporazione e per traspirazione delle piante. Lo spessore della zona di evapotraspirazione varia con il tipo di clima e copertura vegetale: nei nostri climi ha, in genere, uno spessore di 1 3 m. ZONA INSATURA (ZONA DI RITENZIONE): in essa vi è la coesistenza di aria e di acqua in quantità tali da non saturare il terreno. In tale zona, il movimento dell acqua (percolazione) è a componente essenzialmente verticale. 8

9 IL PROFILO VERTICALE DEL TERRENO (2/3) FRANGIA CAPILLARE: è presente al contatto tra zona satura e zona insatura. Infatti, nei casi in cui la dimensione degli spazi intergranulari lo consente, in tale zona si verificano fenomeni di capillarità che determinano la risalita dell acqua lungo i canalicoli formati dalla successione di pori. La frangia capillare ha uno spessore inversamente proporzionale alla granulometria del suolo. (Ha un contenuto di acqua superiore alla zona insatura) ZONA SATURA : in tale zona, a meno che non vi siano meati isolati e inaccessibili, l acqua occupa tutti i vuoti per un volume pari alla porosità totale e fluisce nel terreno con un movimento (filtrazione) a prevalente componente orizzontale. (Coefficiente di saturazione pari al 100%) SUBSTRATO IMPERMEABILE : la zona di saturazione (costituita da terreno, ovviamente, permeabile) ha termine in corrispondenza dello strato impermeabile di terreno, costituito da materiale molto fino (limo, argille) o da formazioni rocciose non fratturate. 9

10 STRUTTURE IDROGEOLOGICHE SEMPLICI (TIPI DI FALDE) Falda acquifera libera o freatica (acquifero non confinato) La struttura idrogeologica più semplice è quella composta da uno strato permeabile per porosità poggiante su un substrato impermeabile. L acqua riempie completamente i meati dell acquifero sino ad un certo livello corrispondente alla superficie piezometrica, si sposta sotto un certo gradiente idraulico ed è sottoposta ovunque alla pressione atmosferica. 10

11 STRUTTURE IDROGEOLOGICHE SEMPLICI (TIPI DI FALDE) Falda acquifera in pressione (acquifero confinato) Si ha nel caso in cui uno strato permeabile è racchiuso tra due strati impermeabili che fungono, dunque, da letto e da tetto rispettivamente. Lo strato di acquifero è completamente saturo e in qualunque punto la pressione idrostatica è superiore alla pressione atmosferica. La superficie piezometrica si trova ad una quota più alta del limite superiore del livello dell acquifero. Se la quota della piezometrica è superiore a quella del piano-campagna, la falda in pressione è detta artesiana. 11

12 PARAMETRI CARATTERISTICI DEL SITO Geometria del del sito sito e della della sorgente di di contaminazione Parametri caratteristici del del suolo suolo (zona (zona insatura) Parametri caratteristici della della falda falda (zona (zona satura) satura) Parametri caratteristici degli degli ambienti aperti aperti (aria (aria outdoor) Parametri caratteristici degli degli ambienti confinati (aria (aria indoor) Parametri chimico-fisici degli degli inquinanti 12

13 Criteri di stima dei parametri caratteristici del sito PROCEDURA PER LA STIMA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI DEL SITO SONO DISPONIBILI MISURE DIRETTE? NO SONO DISPONIBILI DATI STORICI? NO SI SI Applicazione dei criteri di stima indiretta, secondo quanto descritto dalle linee guida. N > 10? (N = numero di misure) NO SI Se il valore più conservativo è il minimo Selezione del MINIMO. Se il valore più conservativo è il massimo Selezione del MASSIMO. Se il valore più conservativo è il minimo Calcolo dell LCL 95%. Se il valore più conservativo è il massimo Calcolo dell UCL 95%. Sito dell ISPRA (ex-apat): IT/Servizi_per_l'Ambiente/Siti_contaminati/Analisi_di_rischio/ 13

14 Stima indiretta dei parametri del suolo Granulometria del terreno L analisi granulometrica, comunemente nota anche come analisi meccanica del terreno, consiste nella determinazione della distribuzione delle particelle del terreno in base al loro diametro. La conoscenza della distribuzione granulometrica può essere spesso utile, poiché permette di individuare i valori di alcuni parametri caratteristici del terreno utilizzando quelli presenti in letteratura, e quindi applicando un CRITERIO DI STIMA INDIRETTA. Tale analisi viene condotta separando le singole particelle, da 0,074 mm in su, mediante setacci aventi caratteristiche standardizzate; la Tab. 2.2 ne riporta un elenco. Per la frazione di diametro inferiore a mm si ricorre a criteri idrodinamici fondati sulla differenza di velocità relativa di caduta delle particelle stesse rispetto al liquido in cui sono immerse; i metodi più comunemente usati sono il metodo della pipetta e il metodo dell idrometro. 14

15 Granulometria del terreno Tab. 2.2 Setacci impiegati per l analisi granulometrica Setaccio Apertura maglie (mm) I risultati dell analisi granulometrica, cioè la massa delle particelle costituenti le varie classi granulometriche espresse in percento della massa totale della terra fine, una volta ridotte alle tre classi di sabbia, limo e argilla, possono essere sintetizzati graficamente con un solo punto ricorrendo al cosiddetto diagramma triangolare. 15

16 Granulometria del terreno Identificando con: ghiaia le particelle aventi un φ > 2,0 mm; sabbia quelle con 2,0 mm > φ > 0,05 mm; TIPO DI TERRENO TERRENI A GRANA MOLTO GROSSA Blocchi Ciottoli DIAMETRO DELLE PARTICELLE (mm) Grossa Ghiaia Media 6 limo quelle con 0,05 mm > φ > 0,002 mm; TERRENI A GRANA GROSSA ( più del 65% in sabbia e ghiaia) Fine Grossa 2 0,6 argilla quelle con φ < 0,002 mm; Sabbia Media Fine 0,2 0,06 Grosso 0,02 TERRENI A GRANA FINE (più del 35% in argilla e limo) Limo Medio Fine 0,006 0,002 Argilla <

17 Criteri di stima dei parametri caratteristici del sito [APAT, 2008] E possibile effettuare una classificazione dei terreni compositi basata sul metodo dell USDA ( U.S. Department of Agricolture) ARGILLA LIMO Tessitura del suolo Simbolo S Sand nome LS Loamy Sand SL Sandy Loam SCL Sandy Clay Loam L Loam SiL Silt Loam CL Clay Loam SiCL Silty Clay Loam SiC Silty Clay Si Silt SC Sandy Clay C Clay SABBIA 17

18 Criteri di stima dei parametri caratteristici del sito [APAT, 2008] Percentuali di sabbia, argilla e limo calcolate nei centroidi di ogni zona caratteristica del terreno descritta nel diagramma triangolare Tessitura del suolo Simbolo inglese italiano % argilla % limo % sabbia S Sand Sabbioso LS Loamy Sand Sabbioso tendente medio SL Sandy Loam Medio sabbioso SCL Sandy Clay Loam Medio argilloso tendente sabbioso L Loam Di grana media SiL Silt Loam Medio limoso CL Clay Loam Medio argilloso SiCL Silty Clay Loam Medio argilloso tendente limoso SiC Silty Clay Argilloso limoso Si Silt Limoso SC Sandy Clay Argilloso sabbioso C Clay Argilloso

19 Parametri del terreno in zona insatura (modelli analitici) SIMBOLO PARAMETRO UNITA' DI MISURA Valore di default doc. APAT (tab. 5.2) Necessità di misure sitospecifiche Caratteristiche fisiche del terreno in zona insatura ρ s Densità del suolo g/cm 3 1,7 SI' θ T Porosità totale del terreno in zona insatura adim. 0,41 θ e Porosità efficace del terreno in zona satura adim. 0,353 θ w Contenuto volumetrico di acqua adim. 0,103 θ a Contenuto volumetrico di aria adim. 0,25 θ wcap Contenuto volumetrico di acqua nelle frangia capillare adim. 0,318 θ acap Contenuto volumetrico di aria nelle frangia capillare adim. 0,035 f oc Frazione di carbonio organico nel suolo insaturo g-c/g-suolo 0,01 SI' I ef Infiltrazione efficace cm/anno 30 SI' ph ph del suolo insaturo adim. 6,8 SI' 43

20 Densità della parte solida o Massa volumica reale Soil particle density ( (ρ b [ML - 3 ]) La massa volumica reale delle particelle di suolo si riferisce alla densità delle particelle solide del suolo. Essa viene espressa come rapporto tra la massa totale delle particelle m s ed il loro volume V s : ρ b =m s /V s, non tenendo conto del volume dello spazio poroso del suolo. Densità complessiva secca o Massa volumica apparente - Soil bulk density ( (ρ s [ML - 3 ]) La densità complessiva secca rappresenta il rapporto tra la massa del suolo essiccato (105 C) ed il suo volume totale V: ρ s = m s /V = (1-θ t )ρ b Tale parametro può essere calcolato anche tramite l espressione ρ s = ρ/(1+θ w ). dove ρ è la densità totale (ρ= m/v) e θ w è il contenuto volumetrico di acqua. 44

21 Densità complessiva secca o Massa volumica apparente - Soil bulk density ( (ρ s [ML - 3 ]) Modalità di determinazione: Determinata attraverso prove di laboratorio per la tipologia di terreno rappresentativa (individuata attraverso l analisi delle stratigrafie e le prove granulometriche). Sarebbe opportuno eseguire almeno 3 misure dalle quali ricavare un valore rappresentativo. Per la determinazione di questo parametro si consiglia di fare riferimento ai Metodi di Analisi Fisica del Suolo (MAFS), Pubblicati dal Ministero per le Politiche Agricole - Osservatorio Nazionale Pedologico (D.M. 01/08/1997) Suppl. Ord. G.U. n. 173 del 2/9/97 o alle norme tecniche disponibili (UNI, ISO, ASTM, ecc.). 45

22 Porosità totale ed efficace Porosità totale ed efficace ( (θ t e θ e [adim.]) La porosità definisce la quantità di spazi vuoti contenuti entro un mezzo poroso. E una grandezza di natura scalare, definita dal rapporto tra il volume dei pori ed il volume totale: θ t = (V l +V g )/V. Nei mezzi porosi naturali, però, non tutti i pori sono idraulicamente interconnessi tra loro. Per questo motivo, nelle applicazioni pratiche, si è soliti distinguere tra porosità totale (θ t ) e porosità effettiva o utile (θ e ), cui contribuisce solo il volume dei pori interconnessi (V pi ). La definizione della porosità effettiva è quindi la seguente: θ e = V pi /V. Chiaramente si ha sempre θ e θ t. 46

23 Volume dei vuoti (e [adim[ adim.]) Il volume dei vuoti è un indice del volume frazionale dei pori del suolo, ma mette in relazione quel volume con il volume dei solidi piuttosto che con il volume totale del suolo: e = (V l +V g )/V s. Contenuto d acqua d nel terreno Sono diversi i fenomeni che regolano la presenza dell acqua nel terreno e la possibilità che essa possa migrare. Fenomeni di adsorbimento legano le molecole bipolari d acqua ai micropori esistenti sulla superficie dei granuli: questa acqua, il cui volume è inversamente proporzionale alla granulometria della roccia, prende il nome di acqua igroscopica o di adsorbimento. acqua igroscopica 47

24 Contenuto d acqua d nel terreno (continua) Intorno a ciascun granulo e alla sua acqua igroscopica si genera un sottile film di acqua pellicolare a causa di fenomeni di adesione. Tale acqua non è soggetta alla forza di gravità e non trasmette pressione idrostatica, essa quindi può essere spostata solo per centrifugazione. Il suo volume è inversamente proporzionale alla granulometria del terreno in questione. La somma volumetrica dell acqua igroscopica e di quella pellicolare è detta acqua di ritenzione. acqua igroscopica acqua pellicolare 48

25 Contenuto d acqua d nel terreno (continua) Fenomeni di attrazione molecolare fissano l acqua capillare negli spazi intergranulari sufficientemente stretti. Nella fascia poco al di sopra della superficie piezometrica, l acqua riempie solo parzialmente tali spazi ed è detta isolata, mentre in corrispondenza o appena al di sopra della suddetta superficie essa riempie tutti gli spazi intergranulari sufficientemente stretti ed è detta continua. L acqua capillare isolata non è soggetta alla forza di gravità, a differenza di quella continua che trasmette anche la pressione idrostatica. acqua igroscopica acqua capillare isolata acqua pellicolare 49

26 Contenuto d acqua d nel terreno (continua) Il volume dei meati che non è occupato né da acqua di ritenzione, né da acqua capillare è disponibile per contenere la acqua gravitica che è soggetta alla forza di gravità ed è libera di muoversi nel sottosuolo. Essa può venire estratta mediante drenaggio o pompaggio ed è, dunque, l aliquota d acqua contenuta nel suolo realmente utilizzabile. Gli stessi fenomeni descritti in precedenza e la stessa ripartizione dell acqua si verifica anche nei meati tipici di una roccia lapidea. acqua igroscopica acqua capillare isolata acqua pellicolare acqua gravitica 50

27 Contenuto d acqua d nel terreno (continua) Il contenuto d acqua (gravimetrica) viene generalmente definito come rapporto tra la massa dell acqua presente nel suolo e la massa del suolo secco: w = m l /m s Umidità di massa o attraverso il volume d acqua presente nell unità di volume del suolo: Umidità di volume θ w = V l /V in ogni caso, il contenuto d acqua volumetrico θ w e quello gravimetrico w possono essere dedotti l uno dall altro attraverso la relazione: θ w = w ρ b /ρ l in cui con ρ b (= m s /V) si è indicato il valore della massa volumica apparente del suolo e con ρ l (=m l /V l ) la massa volumica dell acqua. Il contenuto d acqua a saturazione (= porosità efficace) è di solito più alto nei terreni argillosi piuttosto che nei terreni sabbiosi. Infatti, nei terreni sabbiosi, il valore del contenuto d acqua a saturazione θ s è nell ordine del 40-50%, nei terreni argillosi può raggiungere anche il 60%. 51

28 Contenuto d acqua d nel terreno (continua) I metodi di determinazione del contenuto di acqua di un suolo possono essere diretti e indiretti. Tra i metodi diretti, quello più comunemente utilizzato è quello termo-gravimetrico (norme ASTM D ). Il contenuto d acqua si ricava dalla relazione: Dove: W1 W2 W w = c peso contenitore W2 W c W 1 peso contenitore e terreno umido peso contenitore e terreno secco W 2 52

29 Grado o coefficiente di saturazione (s [adim[ adim.]) Il coefficiente di saturazione esprime il volume d acqua presente nel suolo relativamente al volume dei pori: s= V l /V v Il range dell indice s va da zero, nel suolo asciutto, all unità (o 100%) in un suolo completamente saturo. Comunque sia, la saturazione completa si verifica raramente, dato che una minima percentuale di aria è quasi sempre presente e può rimanere intrappolata in un suolo molto bagnato. Il grado di saturazione, spesso, è espresso come funzione del contenuto d acqua θ w, in relazione al valore massimo θ s (a saturazione) e minimo θ r (residuo) : s= (θ w - θ r )/(θ s - θ r ). Contenuto volumetrico di aria ( (θ a [adim.]) Tale parametro è dato dal rapporto tra il volume di aria e il volume totale : θ a = V g /V può essere calcolato indirettamente come differenza tra la porosità del suolo e il contenuto volumetrico di acqua: θ a = θ t - θ w 53

30 Per la stima indiretta di θ T θ e θ w e θ a è possibile fare riferimento ai valori riportati in Tabella e desunti dalla integrazione dei dati forniti dai riferimenti bibliografici a cui si fa più comunemente riferimento [Carsel et al., 1988] [Van Genuchten model, 1980]. Range di valori di θ w in funzione della distribuzione granulometrica [APAT, 2008] Tessitura θ W (massimo) θ W (minimo) θ W (varianza) Sand 0,08 0,05 1,62E-04 Loamy Sand 0,12 0,05 1,34E-03 Sandy Loam 0,23 0,04 9,54E-03 Sandy Clay Loam 0,24 0,06 9,89E-03 Loam 0,26 0,06 1,20E-02 Silt Loam 0,30 0,07 2,76E-02 Clay Loam 0,26 0,08 1,64E-02 Silty Clay Loam 0,31 0,09 2,42E-02 Silty Clay 0,34 0,11 1,62E-02 Silt 0,30 0,05 1,93E-02 Sandy Clay 0,31 0,12 1,08E-02 Clay 0,38 0,10 2,26E-02 Valori di θ T, θ r, θ e, θ W e θ a in funzione della distribuzione granulometrica [APAT, 2008] Tessitura θ T θ r θ e θ W θ a Sand 0,43 0,045 0,385 0,068 0,317 Loamy Sand 0,41 0,057 0,353 0,103 0,250 Sandy Loam 0,41 0,065 0,345 0,194 0,151 Sandy Clay Loam 0,39 0,100 0,290 0,178 0,112 Loam 0,43 0,078 0,352 0,213 0,139 Silt Loam 0,45 0,067 0,383 0,255 0,128 Clay Loam 0,41 0,095 0,315 0,200 0,115 Silty Clay Loam 0,43 0,089 0,341 0,246 0,095 Silty Clay 0,36 0,070 0,290 0,274 0,016 Silt 0,46 0,034 0,426 0,278 0,148 Sandy Clay 0,38 0,100 0,280 0,228 0, Clay 0,38 0,068 0,312 0,304 0,008

31 Porosità totale (θ T ) 0,60 Porosità totale 0,50 θt 0,40 0,30 Sand Loamy Sand Sandy Loam Sandy Clay Loam Loam Silt Lo am Clay Loam Tessitura Silty Clay Loam Silty Clay Silt Sandy Clay Clay Carsel et al.(1988) Clapp and Hornberger(1978) Brooks and Corey(1964) Li et al.(1976) Schaap and Leij(1998) 55

32 Contenuto volumetrico di acqua (θ w ). 0,4 0,35 0,3 0,25 Contenuto volumetrico di acqua θ w 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Sand Loamy Sand Sandy Loam Sandy Clay Loam Loam Silt Loam Clay Loam Silty Clay Loam Silty Clay Silt Sandy Clay Clay Tessitura Carsel et al.(1988) Van Genuchten model [valori tabellati] Van Genuchten model [valori calcolati] 56

33 Per la stima indiretta di θ w,cap e θ a,cap si fa riferimento ai valori riportati in Tabella e desunti dalla integrazione dei dati forniti dai riferimenti bibliografici a cui si fa più comunemente riferimento [Connor et al., 1996] [Van Genuchten model, 1976 e 1980]. Valori di θ W,cap e θ a,cap granulometrica in funzione della distribuzione Tessitura θ T θ r θ e θ W,cap θ a,cap Sand 0,43 0,045 0,385 0,330 0,055 Loamy Sand 0,41 0,057 0,353 0,318 0,035 Sandy Loam 0,41 0,065 0,345 0,288 0,057 Sandy Clay Loam 0,39 0,100 0,290 0,248 0,042 Loam 0,43 0,078 0,352 0,317 0,035 Silt Loam 0,45 0,067 0,383 0,297 0,086 Clay Loam 0,41 0,095 0,315 0,288 0,027 Silty Clay Loam 0,43 0,089 0,341 0,317 0,024 Silty Clay 0,36 0,070 0,290 0,282 0,008 Silt 0,46 0,034 0,426 0,383 0,043 Sandy Clay 0,38 0,100 0,280 0,252 0,028 Clay 0,38 0,068 0,312 0,308 0,004 57

34 Denominazione del parametro Unità di misura Definizione Modalità di determinazione Identificazione del valore maggiormente conservativo Frazione di carbonio organico nel suolo insaturo (f oc ) g-c/g-suolo In primo luogo si osserva che tale parametro dovrebbe essere sempre determinato in fase di caratterizzazione del sito. Il contenuto di carbonio organico nel suolo è convenzionalmente correlato con quello della sostanza organica presente, infatti quest ultima è pari a circa 1,724 volte il contenuto di carbonio organico. Determinato attraverso prove di laboratorio per la tipologia di terreno rappresentativa (individuata attraverso l analisi delle stratigrafie e le prove granulometriche). Devono esser eseguite almeno 3 misure dalle quali ricavare un valore rappresentativo. Per i metodi di misura si consiglia di fare riferimento (vedi doc. APAT, 2008]. Il parametro entra nel calcolo di VFss, VFsamb, VFsesp, e LF. Il valore maggiormente conservativo è il minimo (LCL 95% se i dati 58 rappresentativi a disposizione sono in N>10).

35 Nel caso in cui la sorgente secondaria di contaminazione sia costituita da terreno omogeneo o approssimabile come tale, l infiltrazione efficace media annua può essere stimata in funzione delle precipitazioni medie annue e del tipo di tessitura prevalente nel suolo (sabbiosa, limosa o argillosa) a mezzo delle seguenti relazioni empiriche: 2 I ef = 0,0018 P per terreni sabbiosi (SAND) 2 I ef = 0,0009 P per terreni limosi (SILT) 2 I ef = 0,00018 P per terreni argillosi (CLAY) dove le suddette correlazioni prevedono valori di precipitazione media annua e di Infiltrazione efficace espressi in cm/anno. Inoltre, per correlare le relazioni sopra riportate con la classificazione dei terreni compositi basata sul metodo dell USDA, si sottolinea che : Nella classe SAND sono comprese le tessiture: Sand, Loamy Sand e Sandy Loam; Nella classe SILT sono comprese le tessiture: Sandy Clay Loam, Loam, L Silt Loam e Silt; Nella classe CLAY sono comprese le tessiture: Clay Loam, Silty Clay C Loam, Silty Clay, Sandy Clay e Clay. 59

36 Denominazione del parametro Unità di misura Modalità di determinazione Identificazione del valore maggiormente conservativo Precipitazione media annua (P) cm/anno Può essere determinata utilizzando dati di piovosità ricavati da serie storiche di dati (relative ad un periodo di osservazione preferibilmente di 30 anni e comunque di almeno 10 anni) relative alla stazione meteo più vicina al sito contaminato. Il parametro entra nel calcolo di LF. Il valore maggiormente conservativo è il massimo. Devono essere quindi riportati i valori di piovosità media annua (per una serie storica relativa ad un periodo di osservazione preferibilmente di 30 anni e comunque almeno di 10 anni) e deve essere utilizzato il valore massimo relativo alle serie storica considerata. Tale valore deve essere utilizzato per il calcolo dell infiltrazione efficace (I). 60

37 Per annale idrologico si intende un doppio volume pubblicato dall'ufficio territoriale del SERVIZIO IDROGRAFICO ITALIANO in cui vengono raccolti i dati di lettura delle strumentazioni pluviometriche ed idrometriche del territorio di competenza. Ogni volume è suddiviso in tabelle. Primo Volume Tabella I Per ogni GIORNO del mese e per ogni MESE dell anno sono riportate il totale di ALTEZZE DI PIOGGIA del giorno (dalle 8.00 alle 8.00 del giorno successivo), quindi la lettura fa riferimento al giorno precedente. Viene riportato il totale mensile ed il numero di giorni piovosi (in cui è precipitato più di 0,8 mm di pioggia). Con l' asterisco vengono indicati i giorni nevosi. Tabella II E il riassunto della Tabella 1 (totali mensili ed annui) ed i dati sono raccolti per sottobacini del bacino idrografico in questione. Tabella III Riguarda le precipitazioni di massima intensità registrate. Tabella IV Rappresenta la massima precipitazione dell'anno per periodi di più giorni consecutivi (da 1 a 61 5 giorni consecutivi).

38 Tabella V Fornisce informazioni di piogge particolarmente brevi ed intense con durata inferiore ad 1 ora, non sono dati fissi e le durate non comprendono l'evento. Tabella VI Relativa alle precipitazioni nevose. Mese per mese vengono riportati (in cm) i dati relativi all'altezza media di neve al suolo, dando informazioni sulla quantità di neve accumulata, presente sul bacino e quindi la quantità di neve che sciogliendosi fornisce un aumento del volume d'acqua. Secondo Volume Tabella I Viene fornito lo zero idrometrico ed indica giorno per giorno le altezze d'acqua in cm ed i valori massimi in grassetto. Alla fine viene riportata la media mensile e la media annua che consentono elaborazioni sulle portate. Tabella II Come la precedente riporta i dati relativi alle altezze idrometriche ma riporta le informazioni relative alle escursioni in diverse ore, cioè dà gli incrementi in 1 ora, 6 ore e 12 ore, riportando l'ora e la data d'inizio delle rilevazioni. Tabella III Vengono riportati non solo i dati di livello ma anche quelli di portata. La tabella è costituita da 365 valori nei quali si trova giorno per giorno un dato di portata che rappresenta la portata media che è transitata in quel giorno, considerando dalle ore 12 del giorno prima alle ore 12 dello stesso. La portata è calcolata in base al livello con la scala delle portate. 62

39 Tabella V Fornisce informazioni di piogge particolarmente brevi ed intense con durata inferiore ad 1 ora, non sono dati fissi e le durate non comprendono l'evento. Tabella VI Relativa alle precipitazioni nevose. Mese per mese vengono riportati (in cm) i dati relativi all'altezza media di neve al suolo, dando informazioni sulla quantità di neve accumulata, presente sul bacino e quindi la quantità di neve che sciogliendosi fornisce un aumento del volume d'acqua. Secondo Volume Tabella I Viene fornito lo zero idrometrico ed indica giorno per giorno le altezze d'acqua in cm ed i valori massimi in grassetto. Alla fine viene riportata la media mensile e la media annua che consentono elaborazioni sulle portate. Tabella II Come la precedente riporta i dati relativi alle altezze idrometriche ma riporta le informazioni relative alle escursioni in diverse ore, cioè dà gli incrementi in 1 ora, 6 ore e 12 ore, riportando l'ora e la data d'inizio delle rilevazioni. Tabella III Vengono riportati non solo i dati di livello ma anche quelli di portata. La tabella è costituita da 365 valori nei quali si trova giorno per giorno un dato di portata che rappresenta la portata media che è transitata in quel giorno, considerando dalle ore 12 del giorno prima alle 63 ore 12 dello stesso. La portata è calcolata in base al livello con la scala delle portate.

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41 Sul sito sono disponibili gli annali idrologici dal 1990 ad oggi. 65

42 Denominazione del parametro Unità di misura Valore di default (APAT, 2008) Definizione Modalità di determinazione ph del suolo insaturo (ph) adimensionale 6.8 Il ph è una scala di misura dell'acidità di una soluzione acquosa e si definisce come cologaritmo in base 10 della concentrazione degli ioni H+: ph = -log 10 [H+]. Il ph solitamente assume valori compresi tra 0 (acido forte) e 14 (base forte). Al valore intermedio di 7 corrisponde la condizione di neutralità, tipica dell'acqua pura a 25 C. Determinato attraverso prove di laboratorio per la tipologia di terreno rappresentativa (individuata attraverso l analisi delle stratigrafie e le prove granulometriche). Devono esser eseguite almeno 3 misure dalle quali ricavare un valore rappresentativo. Per i metodi di misura si consiglia di fare riferimento a (vedi doc. APAT, 2008]. 66

43 Denominazione del parametro Identificazione del valore maggiormente conservativo ph del suolo insaturo (ph) Il parametro influenza il K d per le sostanze inorganiche e il K oc per le sostanze organiche in modo differente (dipende dalle caratteristiche della sostanza). Ad esempio, per gli acidi organici il valore più conservativo di ph risulta essere il massimo, mentre per i metalli il valore più conservativo risulta essere il minimo. Se sono disponibili misure di K d sito-specifiche, è possibile fare riferimento alle misure effettuate. Altrimenti è opportuno effettuare due distinte simulazioni utilizzando sia il valore massimo (UCL 95% se i dati rappresentativi a disposizione sono in N>10) che il minimo (LCL 95% se i dati rappresentativi a disposizione sono in N>10) di ph e selezionare il valore di ph che fornisce stime maggiormente conservative in termini di rischio associato. 67

44 Parametri del terreno in zona insatura [Doc. APAT, 2008]: Nel caso di suolo completamente pavimentato, a giudizio dell Ente di Controllo e previa valutazione dello stato di conservazione delle pavimentazioni, è possibile moltiplicare il valore di I ef per la frazione areale di fratture del pavimento stesso ( out ): I = ' ef I ef η out 68

45 Parametri del terreno in zona satura (modelli analitici) SIMBOLO PARAMETRO Caratteristiche fisiche del terreno in zona satura UNITA' DI MISURA Valore di default doc. APAT (tab. 5.2) Necessità di misure sitospecifiche v gw Velocità di Darcy cm/anno 2500 SI' K sat Conducibilità idraulica del terreno saturo cm/anno --- SI' i Gradiente idraulico adim. --- SI' v e Velocità media effettiva nella falda cm/anno 7082 SI' θ Τ Porosità totale del terreno in zona satura adim. 0,41 θ e Porosità efficace del terreno in zona satura adim. 0,353 f oc Frazione di carbonio organico nel suolo saturo g-c/g-suolo 0,001 SI' α x Dispersività longitudinale cm 10 α y Dispersività trasversale cm 3,3 α z Dispersività verticale cm 0,5 ph ph del suolo saturo adim. 6,8 SI' λ Coefficiente di decadimento del primo ordine 1/giorno 0 SI' 69

46 Velocità di Darcy v gw [cm/anno] v gw = K sat i Gradiente idraulico: rapporto tra la perdita di carico piezometrico Δh e il tratto L in cui essa si verifica Δh i = L Velocità media effettiva dell acqua nella falda v e [cm/anno] v e = v θ gw e = K sat i θ e 70

47 Denominazione del parametro Unità di misura Definizione Modalità di determinazione Identificazione del valore maggiormente conservativo Gradiente idraulico (i) adimensionale Tale parametro è utile nella determinazione della direzione di scorrimento della falda e nella stima della velocità di Darcy nel terreno saturo. Determinato per via cartografica attraverso la rappresentazione delle curve isopiezometriche. Il parametro entra nel calcolo di LF (per tale calcolo il valore più conservativo è il minimo - LCL 95% se i dati rappresentativi a disposizione sono in N>10) e di 1/DAF con λ 0 (per tale calcolo il valore più conservativo è il massimo - UCL 95% se i dati rappresentativi a disposizione sono in N>10). 71

48 La capacità di una roccia di lasciarsi attraversare dall acqua, in condizioni normali di temperatura e pressione, viene definita permeabilità. A tale proprietà corrisponde un parametro che prende il nome di: Coefficiente di permeabilità o Conducibilità idraulica K [m/s]. Facendo riferimento ai valori riportati in tabella, è immediato costatare come nessun altro parametro abbia una così marcata variazione, al punto da rendere il comportamento dei terreni a grana grossa (ghiaie e sabbie) macroscopicamente diverso da quello dei terreni a grana fine (limi e argille). 72

49 Coefficiente di permeabilità o Conducibilità idraulica K [m/s]. K dipende sia dalla natura del fluido in movimento sia dalla natura e conformazione della matrice solida. Questa dipendenza è generalmente espressa dalla forma: K = kρg μ dove: K [m/s] è la conducibilità idraulica; k [m 2 ] è la permeabilità intrinseca del mezzo poroso (dipende esclusivamente dalle caratteristiche della matrice solida); μ [g/ m s] è la viscosità dinamica; ρ [g/ m 3 ] è la densità del fluido; g [m/ s 2 ] è l accelerazione di gravità. 73

50 Coefficiente di permeabilità o Conducibilità idraulica K [m/s]. La conducibilità idraulica è, nel caso più generale, un tensore del secondo ordine: K K = K K xx yx zx K K K xy yy zy K K K xz yz zz Si può dimostrare (vedi tensore degli sforzi per fluidi newtoniani e seconda equazione indefinita del moto) che delle nove componenti solo sei sono effettivamente indipendenti. Valgono infatti le relazioni di simmetria: K xy = K yx xz K zx K = K yz = K zy 74

51 Coefficiente di permeabilità o Conducibilità idraulica K [m/s]. Si può anche dimostrare che è sempre possibile individuare un sistema ortogonale di riferimento (x, y, z ) rispetto al quale si ha: K = K x' x' 0 0 K 0 y' y' 0 K 0 0 z' z' Gli assi coordinati (x, y, z ) prendono il nome di assi principali di anisotropia. 75

52 Coefficiente di permeabilità o Conducibilità idraulica K [m/s]. I mezzi porosi per i quali: K x' x' K y' y' K z' z' si dicono. Un mezzo per il quale: K x ' x' = K y' y' = K z' z' = K( x, y, z) è detto. Se, in aggiunta: K ( x, y, z) = Costate il mezzo e detto ed. 76

53 Coefficiente di permeabilità o Conducibilità idraulica K [m/s]. La conducibilità idraulica di un terreno insaturo può essere determinata sperimentalmente in laboratorio su campioni indisturbati o in campo. Nei casi in cui tale parametro non sia determinabile sperimentalmente, è possibile fare riferimento a valori di default presenti in letteratura, alcuni di essi sono riportati in tabella. Tipo di suolo K sat [cm/s] (*) K sat [cm/s] ) (**) K sat [cm/s] (***) K sat [cm/s] (****) Sabbioso 5,83E-03 8,25E-03 7,33E-04 2,85E-04 Sabbioso tendente medio 1,70E-03 4,05E-03 6,51E-04 9,13E-04 Medio sabbioso 7,19E-04 1,23E-03 1,44E-04 2,08E-04 Di grana media 1,89E-04 2,89E-04 2,89E-05 6,92E-05 Limoso --- 6,94E Medio limoso 3,67E-04 1,25E-04 3,00E-05 1,88E-05 Medio arg. tenedenz. sab. 1,19E-04 3,64E-04 2,63E-05 5,46E-05 Medio argilloso 6,39E-05 7,22E-05 1,02E-05 4,21E-05 Medio arg. tend. limoso 4,17E-05 1,94E-05 7,06E-06 1,24E-05 Argilloso sabbioso 3,33E-05 3,33E-05 9,03E-06 1,45E-05 Argilloso limoso 2,50E-05 5,56E-06 4,28E-06 2,08E-05 Argilloso 1,67E-05 5,56E-05 5,32E-06 1,24E-05 (*) Rawls et al. (1982).(**) Carsel et al. (1988)(***) Li, et al. (1976).(****) McCuen et al.. (1981). 77

54 Conducibilità idraulica a saturazione (Ksat) 1,00E+00 Conducibilità idraulica a saturazione 1,00E-01 logksat [cm/s] 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 1,00E-05 1,00E-06 Sand Loamy Sand Sandy Loam Sandy Clay Loam Loam Silt Loam Tessitura Clay Loam Silty Clay Loam Silty Clay Silt Sandy Clay Clay (Raw ls et al., 1982) (Carsel and Parrish., 1988) (Li et al., 1976) (McCuen et al., 1981) (Schaap and Leij,1998) 78

55 Range di valori di K sat in funzione della distribuzione granulometrica Tessitura Ksat [cm/s] ma ssi mo Ksat [cm/s] minimo Ksat [cm/s] varianza Sand 1,76E-02 1,46E-03 2,46954E-05 Loamy Sand 2,19E-02 5,86E-04 6,35916E-05 Sandy Loam 4,98E-03 1,58E-04 2,82097E-06 Sandy Clay Loam 1,31E-03 9,88E-05 1,7263E-07 Loam 1,66E-03 8,51E-05 2,62852E-07 Silt Loam 1,38E-03 1,25E-04 1,67542E-07 Clay Loam 1,01E-03 6,39E-05 1,01101E-07 Silty Clay Loam 2,97E-04 1,94E-05 8,80341E-09 Silty Clay 5,00E-04 5,56E-06 2,82405E-08 Silt 3,56E-03 6,94E-05 2,77507E-06 Sandy Clay 4,00E-04 2,09E-05 2,16152E-08 Clay 2,97E-04 7,45E-07 1,14819E-08 79

56 Valori di K sat in funzione della distribuzione granulometrica Tessitura Sand Loamy Sand Sandy Loam Sandy Clay Loam Loam Silt Loam Clay Loam Silty Clay Loam Silty Clay Silt Sandy Clay Clay K sat [cm/s] (Carsel and Parrish., 1988) 8,25E-03 4,05E-03 1,23E-03 3,64E-04 2,89E-04 1,25E-04 7,22E-05 1,94E-05 5,56E-06 6,94E-05 3,33E-05 5,56E-05 80

57 1. Campbell and Shiozawa (1994) K sat (mm/h) = 54 exp[-0,07(%sabbia) 0,167(%argilla)] 2. Cosby et al. (1984) K sat (mm/h) = 25,4 x 10 [-0,6 + 0,012 (%sabbia) 0,0064 (%argilla)] 3. Jabro (1992) log K sat (cm/h) =9,56 0,81log (%limo) 1,09log(%argilla) 4,64(ρ s ) 4. Puckett et al. (1985) K sat (mm/h) = 156,96 exp[-0,1975 (%argilla)] 5. Dane and Puckett (1994) K sat (mm/h) = 303,84 exp[-0,144 (%argilla)] logksat [cm/s] 1,00E+00 1,00E-01 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 1,00E-05 1,00E-06 1,00E-07 1,00E-08 1,00E-09 Sand Conducibilità idraulica a saturazione Loamy Sand Sandy Loam Sandy Clay Loam Loam Silt Loam Tessitura Clay Loam Silty Clay Loam Silty Clay (Campbell and Shiozawa,1994) (Cosby et al.,1984) (Jabro,1992) Silt Sandy Clay 81 Clay (Puckett et al.,1985) (Dane e Puckett,1994)

58 Denominazione del parametro Unità di misura Modalità di determinazione Conducibilità idraulica del terreno saturo (K sat ) cm/anno Tale parametro deve essere ricavato preferibilmente mediante l esecuzione di prove in situ. Devono essere eseguite almeno 3 misurazioni per ciascuna litologia rappresentativa. Identificazione del valore maggiormente conservativo Il parametro entra nel calcolo di LF (per tale calcolo il valore più conservativo è il minimo - LCL 95% se i dati rappresentativi a disposizione sono in N>10) e di 1/DAF con λ 0 (per tale calcolo il valore più conservativo è il massimo - UCL 95% se i dati rappresentativi a disposizione sono in N>10). 82

59 Trasmissività [m 2 /s] La trasmissività rappresenta il prodotto del coefficiente di permeabilità K [m/s] del mezzo acquifero per lo spessore b [m] della falda (misurato dal substrato impermeabile sino alla quota della superficie piezometrica: T = K b La trasmissività è un parametro molto usato nei calcoli idrogeologici ed è espressa dal volume d acqua sotterranea che attraversa una sezione retta dell acquifero di larghezza unitaria e di altezza pari allo spessore saturo, nell unità di tempo, sotto un gradiente idraulico unitario, a 20 C. La trasmissività è determinabile direttamente mediante prove di emungimento. 83

60 La dispersione idrodinamica o meccanica è quel fenomeno per cui avviene una miscelazione meccanica del soluto nell acqua e può essere paragonata all effetto di turbolenza che si ha in un corso d acqua. d 1. Pickens e Grisak (1981) α (1) = 0, 1 L (A.1) x 2. Xu e Eckstein (1995) 3. Gelhar et al. (1985): 2,414 α x ( 2) = 0.83 (logl) (A.2) ln 2 α x (3) = 3, ,774ln L 0,093(ln L) (A.3) Noto il valore di dispersività longitudinale α x, si stimano i valori di dispersività trasversale α y e verticale α z attraverso le seguenti relazioni [American Petroleum Institute s Report, 1987]: α α x x α y = α z =

61 Denominazione del parametro Unità di misura Valore di default (APAT, 2008) Definizione Modalità di determinazione Identificazione del valore maggiormente conservativo Frazione di carbonio organico nel suolo saturo (f oc ) g-c/g-suolo In primo luogo si osserva che tale parametro dovrebbe essere sempre determinato in fase di caratterizzazione del sito. Il contenuto di carbonio organico nel suolo è convenzionalmente correlato con quello della sostanza organica presente, infatti quest ultima è pari a circa 1,724 volte il contenuto di carbonio organico. Determinato attraverso prove di laboratorio per la tipologia di terreno rappresentativa (individuata attraverso l analisi delle stratigrafie e le prove granulometriche). Devono esser eseguite almeno 3 misure dalle quali ricavare un valore rappresentativo. Per i metodi di misura si consiglia di fare riferimento (vedi doc. APAT, 2008]. Il parametro entra nel calcolo di 1/DAF (per λ 0). Il valore maggiormente conservativo è il minimo (LCL 95% se i dati rappresentativi a disposizione sono in N>10). 85

62 Denominazione del parametro Identificazione del valore maggiormente conservativo ph del suolo insaturo (ph) Il parametro influenza il K d per le sostanze inorganiche e il K oc per le sostanze organiche in modo differente (dipende dalle caratteristiche della sostanza). Ad esempio, per gli acidi organici il valore più conservativo di ph risulta essere il massimo, mentre per i metalli il valore più conservativo risulta essere il minimo. Se sono disponibili misure di K d sito-specifiche, è possibile fare riferimento alle misure effettuate. Altrimenti è opportuno effettuare due distinte simulazioni utilizzando sia il valore massimo (UCL 95% se i dati rappresentativi a disposizione sono in N>10) che il minimo (LCL 95% se i dati rappresentativi a disposizione sono in N>10) di ph e selezionare il valore di ph che fornisce stime maggiormente conservative in termini di rischio associato. 86

63 Coefficiente di degradazione del primo ordine λ [d - 1 ] E un parametro che tiene conto di eventuali processi di biodegradazione azione delle sostanze inquinanti nelle acque di falda. In riferimento alla sua stima, si ritiene opportuno: per una analisi di livello 1 (utilizzo di modelli analitici), porre come valore di default λ=0; per una analisi di livello 2 (utilizzo di modelli numerici), è possibile porre λ 0 0 solo se, oltre ad una ricerca in letteratura di case history simili, si preveda anche l esecuzione l di test di laboratorio o di campo mirati a studiare la reale situazione di biodegradazione sito-specifica. specifica. Altrimenti va adottato il valore di default λ=0. 87