Gli acquiferi. La dimensione verticale o spessore dell acquifero è generalmente ridotta rispetto alle altre due dimensioni.
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- Lorenzo Elia
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1 Acquiferi
2 Gli acquiferi Possono essere considerati come serbatoi sotterranei che si alimentano naturalmente attraverso la pioggia o la rete idraulica sotterranea. L acqua lascia l acquifero naturalmente attraverso le sorgenti o i corsi d acqua superficiali e artificialmente attraverso pompaggio da pozzi. La dimensione verticale o spessore dell acquifero è generalmente ridotta rispetto alle altre due dimensioni.
3 Distribuzione ACQUE SOTTERRANEE in suolo OMOGENEO ZONA di SATURAZIONE l acqua occupa interamente gli spazi interstiziali del terreno (Bear and Verruijt, 1990) Superficie freatica: superficie immaginaria in cui tutti punti hanno una pressione pari a quella atmosferica
4 ZONA di AREAZIONE i pori contengono sia acqua che gas (aria e vapor d acqua) Frangia di capillarità: (Bear and Verruijt, 1990) zona che si estende al di sopra della superficie freatica, in cui il grado di umidità decresce gradualmente allontanandosi da tale superficie; l estensione di tale zona dipende dal tipo e dall omogeneità del suolo è praticament assente in suoli costituiti da materiali grossolani; 2-3 m in suoli argillosi; il limite superiore di tale zona ha una superficie irregolare, si assume come frangia di capillarità la zona in cui il suolo è assunto praticamente saturo
5 Zona di umidità del suolo: zona adiacente alla superficie del terreno che comprende lo spessore di suolo esplorato dalle radici delle piante l acqua tende a muoversi verso il basso a causa della gravità (precipitazioni, irrigazione, ecc.); la distribuzione dell umidità è fortemente influenzata sia dalle condizioni sulla superficie del suolo sia dalla presenza di una superficie freatica poco profonda ZONA di AREAZIONE (Bear and Verruijt, 1990) i pori contengono sia acqua che gas, principalmente aria e vapor d acqu
6 Falda freatica Sono contenute in formazioni permeabili che si spingono fino alla superficie del suolo. L acqua non occupa completamente la formazione ma solo la parte inferiore, appoggiandosi alla base su una formazione impermeabile (spesso di natura argillosa). Nella parte superiore i meati sono occupati da aria, in comunicazione con l atmosfera. Esiste quindi una superficie che si trova a pressione atmosferica detta superficie piezometrica o freatica Se la falda è in quiete la superficie piezometrica è orizzontale, se è in movimento presenta una pendenza nel senso del moto
7 Falda artesiana Sono caratterizzate dal fatto che l acqua occupa tutto lo spessore della formazione permeabile, la quale è racchiusa tra formazioni impermeabili dette rispettivamente letto e tetto. Nella falda l acqua è in pressione: se si infigge una canna piezometrica il livello del liquido si porta sopra quello del tetto. La superficie che si ottiene con una serie di piezometri è sempre detta superficie piezometrica ma non appartiene alla falda Nel pozzo artesiano l acqua fuoriesce spontaneamente se la superficie piezometrica si trova al di sopra del piano di campagna. Se la canna del pozzo si arrestasse al livello di campagna, l acqua zampillerebbe raggiungendo la quota del della superficie piezometrica
8 Falda artesiana
9 Falda sospesa: caso particolare di acquifero freatico formato da uno strato limitato di superficie impermeabile
10 BILANCIO IDRICO degli ACQUIFERI Elementi di ricarica: Afflusso sotterraneo attraverso i confini dell acquifero Infiltrazione Ricarica artificiale Alimentazione da fiumi e da laghi Elementi di perdita: Deflusso sotterraneo attraverso i confini dell acquifero Pompaggio Deflusso verso laghi e fiumi Deflusso verso sorgenti
11 RICARICA DEGLI ACQUIFERI
12 RICARICA DI UNA FALDA FREATICA
13 RICARICA DI UNA FALDA FREATICA
14 RICARICA DI UNA FALDA FREATICA
15 RICARICA DI UNA FALDA ARTESIANA
16 RICARICA DI UNA FALDA ARTESIANA
17 RICARICA DI UNA FALDA ARTESIANA
18 ELEMENTO DI PERDITA DA UNA FALDA Deflusso verso sorgenti
19 Gli acquiferi È costituito da una mezzo poroso, ovvero una matrice solida e degli spazi vuoti ed un liquido che occupa tali vuoti Schema di mezzo poroso (Bear and Verruijt, 1990)
20 Schema di mezzo poroso Tessitura: composizione granulometrica (dimensione dei grani) Struttura: modalità di aggregazione dei grani
21 Schema di mezzo poroso Con riferimento ad un volume totale di mezzo poroso V, si definiscono: V s =volume della parte solida V v =volume dei vuoti (V-V s ) V a =volume della fase liquida Porosità n = V V v Indice dei vuoti e = V V v s
22 Schema di mezzo poroso Indicando con P a il peso dell acqua contenuto nel terreno e con P s il peso del materiale solido (essiccato a 105 C) si definiscono: Contenuto naturale di acqua W = P P a s Contenuto volumetrico di acqua V θ = a V Grado di saturazione S = V V a v
23 Schema di mezzo poroso Il moto di filtrazione è in regime laminare Infatti, anche le più alte velocità effettive sono dell ordine dei 0,1 m/s ed assumendo una dimensione media dei meati dell ordine del centimetro (decisamente elevata per i tipici mezzi porosi naturali) si ottiene: pertanto le perdite per variazione di sezione sono assolutamente trascurabili rispetto a quelle di carico piezometrico richieste per vincere la resistenza viscosa al moto.
24 Schema di mezzo poroso Per i moti di filtrazione si definisce il numero di Reynolds nella forma: UD Re f = υ Dove: U=velocità apparente (Q/A) D=lunghezza caratteristica. Per semplicità si considera il diametro medio dei grani o il d 10 anziché il diametro dei meati υ=viscosità cinematica del liquido
25 La Legge di DARCY Henry Darcy, ingegnere francese, ha studiato il moto dell acqua nella sabbia nel 1856, ed ha ricavato che la portata d acqua in un condotto è proporzionale alla differenza di carico tra i due estremi del condotto, ed inversamente proporzionale alla lunghezza del condotto. Inoltre la portata è proporzionale ad un coefficiente, K, chiamato conduttività idraulica.
26 1856
27 Q = ( h1 h KA 2) L Q ( h h U = = K ) 1 2 = A L KJ Il movimento avviene da punti con carico piezometrico più alto verso quelli con valori più bassi e non da punti con pressioni maggiori verso quelli a pressione minore
28 Conducibilità idraulica Rappresenta la facilità con cui un fluido attraversa la matrice porosa dell ammasso Le caratteristiche dell ammasso poroso dipendono da: liquido: densità, viscosità matrice porosa: dimensione e forma dei grani, porosità, tortuosità γ K = k = µ g k ν k=permeabilità intrinseca [L 2 ] γ=peso specifico µ=viscosità dinamica ν=viscosità cinematica [L 2 T -1 ] g=accelerazione gravitazionale [L T -2 ]
29 Permeabilità intrinseca Può essere definita attraverso la seguente relazione: k = Cd 2 dove: k=permeabilità [L 2 ] C=dipende dalle proprietà dell ammasso poroso (porosità, forma dei grani, ecc.) [/] d=diametro medio dei grani [L] Determinazione della permeabilità intrinseca misure di laboratorio (permeametro) misure di campo: test su pozzi misure di laboratorio: test con traccianti
30 Valori di conducibilità idraulica K Tipo K [cm/s] Descrizione Ghiaia pulita Molto permeabile Sabbia pulita o mista con ghiaia Sabbia fine o argillosa Permeabile Poco permeabile Argilla Praticamente impermeabile
31 Falda artesiana: trasmissività T Si consideri il flusso attraverso un acquifero confinato di spessore B, omogeneo ed isotropo e caratterizzato da conduttività idraulica K Nello schema bi-dimensionale: La trasmissività T rappresenta il flusso idrico per unità di larghezza dell acquifero, attraverso l intera altezza dell acquifero, quando viene sottoposto ad un carico idraulico unitario
32 Falda freatica (unconfined) La trasmissività non è ben definita come per le falde artesiane. immagazzinamento (specific yield) è la frazione in volume di acqua che può drenare naturalmente da un volume unitario di acquifero freatico Materiale Porosità Specific yield K [%] [%] [m/g] Argilla ,0004 Sabbia Ghiaia e sabbia Ghiaia
33 Equazioni tri-dimensionali del moto L equazione del moto ottenuta sperimentalmente nella forma della legge di legge di Darcy è valida per un flusso mono-dimensionale di un fluido incomprimibile in mezzo omogeneo. Nel caso di campo di moto tri-dimensionale, l equazione di Darcy Darcy può essere può essere generalizzata nella forma:
34 Eterogeneità ed anisotropia degli acquiferi Le diverse modalità di trasporto e deposizione dei sedimenti, determinano delle strutture sub parallele, a piani sovrapposti ed a granulometria variabile lungo le tre direzioni xyz. Si formano pertanto dei mezzi caratterizzati da parametri che variano se sono misurati in senso verticale od orizzontale. In genere, la conducibilità idraulica (permeabilità) è diversa e maggiore, se misurata in senso orizzontale piuttosto che in quello verticale. Spesso si verifica il caso che, all interno di una successione di strati, K sia costante in ogni strato, ma l intero complesso sia da considerare eterogeneo (anisotropia in suoli stratificati). Un altro tipo di eterogeneità di K è quella discontinua, causata da forti variazioni dovute a faglie, superfici d erosione ecc.
35 Omogeneità ed isotropia del mezzo poroso OMOGENEO ETEROGENEO Se K è indipendente dalla posizione, ovvero ha lo stesso valore in tutti i punti del mezzo poroso Se K dipende dalla posizione ISOTROPO Se K è indipendente dalla direzione ANISOTROPO Se K è dipendente dalla direzione In molti casi gli acquiferi naturali sono NON OMOGENEI ed ANISOTROPI. La non omogeneità è spesso dovuta alle stratificazioni delle formazioni geologiche che costituiscono il mezzo poroso.
36 Acquifero omogeneo Acquifero eterogeneo
37 Flusso orizzontale in mezzo stratificato
38 Flusso orizzontale in mezzo stratificato Conduttività equivalente del flusso parallelo alle
39 Flusso verticale in mezzo stratificato Conduttività equivalente del flusso normale alle stratificazioni
40 Equazioni tri-dimensionali del moto L equazione del moto ottenuta sperimentalmente nella forma della legge di legge di Darcy è valida per un flusso mono-dimensionale di un fluido incomprimibile in mezzo omogeneo. Nel caso di campo di moto tri-dimensionale, l equazione di Darcy Darcy può essere può essere generalizzata nella forma:
41 Equazioni tri-dimensionali del moto Le equazioni generalizzate di Darcy per mezzo anisotropo diventano: I nove coefficienti costituiscono il tensore della conduttività idraulica K
42 Pozzi in falda artesiana e freatica
43 Acquifero freatico
44 Cono di depressione di una falda freatica in pompaggio
45 Acquifero freatico DUPUIT (1863) Ha proposto una teoria che si basa su semplificazioni provenienti dall osservazione che la pendenza della superficie freatica è spesso modesta (1/100; 1/1000) Superfici equipotenziali sono VERTICALI Il flusso è ORIZZONTALE (o equivalentemente una distribuzione delle pressioni idrostatica)
46 Teoria elementare di Dupuit per le falde freatiche Consideriamo una trincea o un pozzo in una falda freatica con, per semplicità, il fondo impermeabile orizzontale
47 I confini del campo del moto di filtrazione non sono completamente assegnati a priori Iniziato il pompaggio: il livello del pozzo si abbassa; la superficie piezometrica inizia ad incurvarsi e richiama altro liquido intorno al pozzo; impiega un intervallo di tempo per arrivare a regime Il problema si risolve sotto l ipotesi semplificativa di Dupuit, che prevede superfici isopieziche verticali in assenza di componenti verticali di velocità
48 Si preleva una portata costante Q dal pozzo. La superficie comincia ad incurvarsi. Ci proponiamo di determinare la relazione esistente tra la forma della superficie, la portata Q e le caratteristiche del suolo (K) (Dupuit, 1863). Ipotesi semplificatrici il regime di movimento è permanente, quindi le caratteristiche del movimento sono costanti rispetto al tempo; il mezzo poroso è supposto omogeneo e isotropo; il pozzo arriva fino allo strato impermeabile orizzontale; in una sezione verticale MN le velocità V sono tutte uguali, parallele e orizzontali.
49 V = KJ = K h l = K dy dx La superficie attraverso la quale avviene il movimento è rappresentata da A=2πxy Q = VA = KJA = K 2πxy dy dx R dx Q = r x 2πK h H ydy Q = πk H 2 ln h R r 2
50 Nella pratica la formula può essere semplificata: Q = πk H 2 ln h R r 2 Se r= 20 cm e R= 40 m π ln 200 = 0,6 = 2 3 Q = K( H 3 h )
51 Acquifero artesiano
52 Se la falda è in quiete la superficie piezometrica è orizzontale Se si attinge una portata Q (costante) dal pozzo tramite pompaggio, il livello nel pozzo si abbassa e così tutta la superficie piezometrica Ha inizio il moto di filtrazione nella falda a causa dell instaurarsi di un gradiente di carico Si giunge in breve tempo ad una situazione di regime in cui la portata che penetra nel pozzo (e che si muove nella falda) è proprio Q Sia h il livello del pozzo, detto anche livello dinamico, depresso di rispetto a quello dello stato di quiete H detto statico ( =H-h)
53 Il problema ha simmetria assiale Il vettore velocità di filtrazione è ovunque orizzontale Le superfici isopieziche sono cilindri di raggio generico r attraversate dalla stessa portata Q (A=2πxb) Q = 2 πxbv = 2πxbK dy dx Q dx x = 2πbKdy R dx Q = 2πbK r x h H dy
54 Q ln R r = 2πbK ( H h ) Q ( H h) 2 bk = π R ln r Se 2π=lnR/r=1 r=20 cm; R=100 m
55 Relazione semplificata Q = Kb( H h) La portata emungibile da un pozzo in falda artesiana di spessore b non è molto influenzato dalla dimensione del pozzo, il cui diametro compare a denominatore e con il logaritmo
56 Determinazione delle caratteristiche idrogeologiche di un acquifer Lo scopo delle investigazioni è quello di: - ricostruire l andamento della superficie piezometrica e delle fluttuazioni nel tempo - determinare i parametri idraulici di un acquifero (permebilità, trasmissività, coefficiente di immagazzinamento) e loro distribuzione areale - determinare le caratteristiche chimiche dell acqua
57 Le investigazioni sono: a) inventario dei punti di acqua Consiste nella raccolta diretta di tutte le informazioni possibili su pozzi e sorgenti nell area considerata e nel riportare la loro esatta posizione sulle carte topografiche b) piezometria La ricostruzione della superficie piezometrica viene effettuata sulla base di dati raccolti durante l inverno dei punti d acqua raccordando con linee equipotenziali i dati del livello statico nei pozzi. Forniscono indicazioni sulle caratteristiche dell acquifero. c) prove di portata nei pozzi (senza l ausilio dei piezometri) Sono importanti sia per determinare la produttività dei pozzi sia per ottenere i parametri idraulici dell acquifero, necessari per la valutazione delle risorse.
58 Sono utilizzate per: controllare che il pozzo sia stato costruito a regola d arte definire la produttività del pozzo determinare la trasmissività dell acquifero Si effettuano in acquiferi alluvionali, più raramente in quelli fratturati. Si possono valutare: i futuri abbassamenti di una falda in sovra-pompaggio; l estensione areale di tali abbassamenti; la direzione di propagazione di certi inquinanti; l efficacia di un sistema di disinquinamento ecc.
59 Le prove che comunemente vengono effettuate sono: - prova a portata variabile (step drawdown test) Consiste nell esecuzione dei almeno tre periodi di pompaggio consecutivi di 1-2 ore ciascuno a portata crescente. Permette di valutare le caratteristiche del pozzo. - prova a portata costante (constant rate test) Consiste nel pompare una portata costante, in genere vicina alla portata massima del pozzo, per un periodo di tempo necessario a raggiungere una stabilizzazione del livello dinamico. La durata è di circa ore.
60 - prova di risalita (recovery test) Viene effettuata di seguito alla prova a portata costante, dopo aver cessato il pompaggio, viene continuata per un periodo massimo di 24 ore fino a che il livello dell acqua nel pozzo ha raggiunto la quota iniziale prima del pompaggio. Permette di calcolare la trasmissività dell acquifero.
61 d) prove di portata nei pozzi (con l ausilio dei piezometri) Permette di calcolare il valore del coefficiente di immagazzinamento. La procedura per l esecuzione delle prove è la stessa usata per la prova a portata costante e la prova di risalita nei pozzi, con la differenza che la variazione dei livelli dinamici nel tempo viene registrata contemporaneamente nel pozzo di pompaggio e nei piezometri.
62 Prove di pompaggio: falda freatica La procedura generale prevede il pompaggio di un volume d acqua da un pozzo e la misura dei livelli dinamici della falda in uno o più piezometri circostanti (pozzi spia). h0 H Z=0
63 Q = 2πrhK dh dr Q dr r = 2πKhdh Q K = π ( ) 2 2 h h 2 ln r r 2 1 1
64 Prove di pompaggio: falda artesiana H falda attraversata per tutto il suo spessore da un pozzo tubolare di diametro esterno D la parete del pozzo finestrata, ovvero filtrante la distanza massima dei piezometri dal pozzo principale dipende da vari fattori, ma in genere non supera i m
65 Quando misuriamo la portata emunta in condizioni stazionarie, la relazione può essere risolta rispetto a K e si può quindi utilizzare per determinare la permeabilità dello strato, valore da intendere come medio nell intorno del pozzo. Falda artesiana: osservazioni ( h h) 2 bk 1 Q = π r1 ln r Q 2 bk h = π r ln r ( h ) Se la distanza a cui è collocato il pozzo spia (o piezometro) è abbastanza grande (r 1 ), (qualche centinaio di metri) il suo livello non risulta praticamente molto influenzato dall attingimento stesso. È possibile quindi sostituire ad h 1 -h l abbassamento dinamico del livello del pozzo (H-h). La relazione diventa quindi di proporzionalità tra Q e.
66 Osservazioni falda freatica Se prendiamo r abbastanza grande in modo che la falda sia praticamente indisturbata dall attingimento si può considerare h H È possibile scrivere: ad h-h o l abbassamento dinamico del livello del pozzo (H-h o ) La relazione diventa quindi quadratica tra Q e h 2 -h o2 = (h+h o )(h-h o ) (H+h o )(H-h o ) =(H+H+h o -H) = (2H- )
67 Equazione caratteristica dei pozzi L elemento idraulico più interessante di un pozzo è la sua curva caratteristica, ossia la relazione che intercorre, a regime raggiunto, tra le portate Q emunte e le corrispondenti depressioni del pelo liquido al di sotto del livello esistente nel pozzo all inizio dell estrazione. Indicando con H-h= Pozzo freatico: Q = K( H h 2 ) = (2H 3 3K ) Pozzo artesiano: Q = Kb( H h) = Kb
68 Grafico dell equazione caratteristica dei pozzi Q artesiana freatica Le curve caratteristiche possono essere individuate per via sperimentale. Il livello statico a partire dal quale si misura NON è soggetto a sensibili variazioni stagionali nei pozzi artesiani. Variazioni notevoli si riscontrano nei pozzi freatici (misure falda al minimo e portata minima)
69 La trattazione effettuata sui pozzi è utile per: determinare le caratteristiche di un acquifero nelle vicinanze di un pozzo prevedere le potenzialità di un pozzo; Analisi del movimento di acqua di falda o la previsione della variazione della superficie piezometrica su superficie estese richiede metodi più elaborati, spesso metodi numerici.
70 Programmazione dello sfruttamento di un acquifero Un corretto programma di sfruttamento deve tenere presente l equilibrio che esiste tra acque superficiali e sotterranee. Si introduce il concetto di safe yield definito come la potenzialità di sfruttamento nel tempo di un bacino idrogeologico senza intaccarne le riserve geologiche, cercando di soddisfare, per quanto possibile, le esigenze di approvvigionamento delle utenze sparse sul territorio. Rappresenta quindi il volume di acqua che può essere emunto senza indurre nel sistema effetti indesiderati. Devono essere quindi considerati i seguenti aspetti: 1- di tipo quantitativo: relativo ai volumi d acqua disponibili nel sottosuolo; 2- di tipo qualitativo: distanza dalla costa e utilizzo dell acqua 3- di tipo economico: dipende dal costo del pompaggio 4- di tipo legale: limiti legati all uso prioritario e/o protezione di certe risorse
71 I criteri da seguire per valutare le risorse idriche disponibili di un sistema e programmare il loro corretto sfruttamento possono essere così elencati: 1- la valutazione delle riserve disponibili e la pianificazione del loro sfruttamento deve essere fatta per un intero sistema idrogeologico e non per una parte soltanto di questo. 2- la quantità di acqua sotterranea che può essere estratta da un sistema non deve essere mai superiore alla ricarica totale media dello stesso. 3- ogni programma di sfruttamento deve essere realizzato gradualmente. 4- il comportamento idrodinamico di un sistema di sfruttamento deve essere controllato mediante un sistema di monitoraggio.
72 La non osservanza dei criteri precedenti può portare ad uno sovrasfruttamento dell acquifero, i cui effetti possono essere rappresentati da: - eccessivo abbassamento della superficie piezometrica: se lo sfruttamento è superiore alla ricarica naturale dell acquifero si generano inconvenienti quali la diminuzione della portata delle sorgenti e dei pozzi esistenti fino a raggiungere un possibile loro esaurimento - intrusione di acqua salata: nelle zone costiere, si può avere un richiamo di acqua salata verso l interno dell acquifero con abbassamento della qualità dell acqua - fenomeni di subsidenza indotta: l eccessivo abbassamento della superficie piezometrica in acquiferi con matrice sabbioso-limosa può originare, a causa della presenza di pori lasciati vuoti dall acqua, la compattazione del materiale, con conseguente abbassamento della superficie topografica e fenomeni di instabilità delle costruzioni.
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