LE ACQUE SOTTERRANEE ELEMENTI DI IDROGEOLOGIA E CASI DI STUDIO

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1 GIOVANNI PRANZINI LE ACQUE SOTTERRANEE ELEMENTI DI IDROGEOLOGIA E CASI DI STUDIO

2 PRESENTAZIONE Questo volume contiene i fondamenti dell'idrogeologia. Gli argomenti trattati coprono praticamente tutti gli aspetti relativi alle acque sotterranee, dal ciclo dell acqua, premessa necessaria per i bilanci idrogeologici, fino all inquinamento e alla gestione delle risorse idriche. Per potere esaurire tutti questi argomenti in un numero di pagine non troppo alto, la trattazione è stata limitata agli aspetti essenziali, cercando anche la concisione. Per gli argomenti principali sono riportati dei casi di studio, ridotti in forma di sintesi. I destinatari principali del volume sono gli studenti universitari dei corsi di laurea in Scienze Geologiche, Scienze Naturali e Ingegneria Ambientale, nonché i geologi professionisti che abbiano necessità di verificare aspetti della Geologia Applicata che non trattano normalmente nella loro attività professionale. Ma il volume può essere utile anche ai tecnici degli enti locali e agli amministratori pubblici, che spesso si trovano a prendere decisioni con importanti ricadute sull ambiente e che vogliano quindi essere informati sui fondamenti scientifici relativi alle acque sotterranee. Alcune parti di questo volume sono state curate, in tutto o in parte, dagli allievi dell Autore che si sono specializzati in rami specifici della disciplina. In particolare: Leonardo Piccini ha collaborato alla stesura del cap. 4 (Caratteristiche fisiche e chimiche delle acque naturali) ed ha scritto il cap. 7 (Idrogeologia dei terreni carsici). Alessandro Gargini ha scritto buona parte dei capitoli 13 (L'inquinamento delle acque sotterranee) e 15 (La protezione delle acque sotterranee). Filippo Landini si è occupato delle prove di emungimento dei pozzi ( 11.4) e della elaborazione dati idrogeologici ( 12.6). Riccardo Frullini ha aggiornato il capitolo sulla bonifica dei siti inquinati ( 13.6). L autore ringrazia il prof. Orlando Vaselli per la revisione critica e i preziosi suggerimenti della parte sull idrogeochimica (cap. 4).

3 Giovanni Pranzini è Professore Ordinario di Geologia Applicata presso la Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali di Firenze, dove insegna Idrogeologia e Idrogeologia Applicata nei Corsi di laurea Triennale e Magistrale in Scienze Geologiche. L attività di ricerca del prof. Pranzini, dopo un inizio con studi di Sedimentologia e Neotettonica, è stata svolta in vari campi dell Idrogeologia: acquiferi delle pianure alluvionali e dei bacini fluviolacustri, idrogeologia carsica, idrogeochimica, intrusione marina, inquinamento e salvaguardia degli acquiferi, bilanci idrogeologici, ricerca e gestione delle risorse idriche. E autore di 180 pubblicazioni scientifiche.

4 INDICE 1. INTRODUZIONE L'IDROGEOLOGIA IMPORTANZA DELL'ACQUA LA DISPONIBILITÀ DI ACQUA IN ITALIA I CONSUMI D ACQUA IN ITALIA Uso potabile Uso agricolo Usi industriali IL CICLO IDROLOGICO DISTRIBUZIONE DELL'ACQUA NEL MONDO IL BILANCIO IDROLOGICO Gli afflussi meteorici L'evapotraspirazione Il deflusso L'infiltrazione IL BILANCIO IDROGEOLOGICO DI UN BACINO...31 Caso di studio 1 - BILANCIO IDROGEOLOGICO DEL BACINO DEL FRIGIDO (ALPI APUANE) LE PROPRIETA' DELLE ROCCE NEI CONFRONTI DELL'ACQUA LA POROSITÀ MISURA DELLA POROSITÀ L'ACQUA NELLE ROCCE E I PARAMETRI CHE ESPRIMONO I RAPPORTI FRA LE TRE FASI: ROCCIA, ACQUA, ARIA RIPARTIZIONE DELL'ACQUA NEL SOTTOSUOLO La capillarità CARATTERISTICHE IDROGEOLOGICHE DELLE ROCCE CARATTERISTICHE IDROGEOLOGICHE DELLE FORMAZIONI GEOLOGICHE CARATTERISTICHE CHIMICHE E FISICHE DELLE ACQUE NATURALI PROPRIETÀ FISICHE PARAMETRI FISICI DELLE ACQUE NATURALI PARAMETRI CHIMICI Classificazione chimica delle acque SIGNIFICATO DEL CHIMISMO DELLE ACQUE LE ACQUE TERMOMINERALI REQUISITI CHIMICI DELLE ACQUE PER I DIVERSI USI Acque per uso potabile Acque per l'agricoltura Acque per usi industriali USO DEI TRACCIANTI IN IDROGEOLOGIA Traccianti naturali Traccianti artificiali Aspetti metodologici dell'uso dei traccianti CENNI SULLE PRINCIPALI TECNICHE DI ANALISI CHIMICA...69 Caso di studio 2 - PROCESSI DI MIXING DI FLUIDI NELL AREA TERMALE DI RAPOLANO (TOSCANA)...71

5 5. LE LEGGI DELLA CIRCOLAZIONE DELL'ACQUA NEI MEZZI POROSI LA LEGGE DI DARCY Condizioni di validità della legge di Darcy LA PERMEABILITÀ Unità di misura della permeabilità Valori di permeabilità delle rocce e velocità di flusso Il coefficiente di permeabilità intrinseca MISURA DELLA PERMEABILITÀ Misure di permeabilità in laboratorio Misure di permeabilità in campagna LE FALDE IDRICHE TIPI DI FALDE RAPPRESENTAZIONE DEGLI ACQUIFERI RICOSTRUZIONE DELLA SUPERFICIE PIEZOMETRICA Esecuzione delle misure di livello Disegno delle isopieze Interpretazione delle carte con le isopieze VARIAZIONI DI LIVELLO DELLA SUPERFICIE PIEZOMETRICA Caso di studio 3 - LA FALDA DI FIRENZE IDROGEOLOGIA DEI TERRENI CARSICI IL CARSISMO CENNI DI CHIMICA DEI PROCESSI CARSICI IN ROCCE CARBONATICHE MORFOLOGIA DEGLI AMBIENTI CARSICI STRUTTURA DEI SISTEMI CARSICI CARATTERI IDROGEOLOGICI DEGLI ACQUIFERI CARSICI Porosità e permeabilità Superficie freatica o piezometrica STUDIO E SFRUTTAMENTO DEGLI ACQUIFERI CARSICI Caso di studio 4 ACQUIFERI CARBONATICI E SORGENTI CARSICHE DELLE ALPI APUANE LE SORGENTI TIPO DI EMERGENZA PORTATA DELLE SORGENTI TEMPERATURA DELLE ACQUE SORGIVE CHIMISMO DELLE ACQUE SORGIVE LE SORGENTI CARSICHE DISTRIBUZIONE E PORTATA DELLE SORGENTI DI UN SISTEMA IDROGEOLOGICO Distribuzione delle sorgenti Portata complessiva delle sorgenti CAPTAZIONE DI UNA SORGENTE Caso di studio 5 LE SORGENTI DELLA CALVANA (PRATO): BILANCIO IDROGEOLOGICO DI UN ACQUIFERO CARBONATICO LA RICERCA DI ACQUA DI SOTTOSUOLO INDAGINI GEOLOGICHE TELERILEVAMENTO METODI GEOFISICI Metodi sismici Metodi elettrici Metodi elettromagnetici INDAGINI DIRETTE DI SOTTOSUOLO Campioni di perforazione Carotaggi geofisici in pozzo...155

6 10. PERFORAZIONE, COMPLETAMENTO E SVILUPPO DEI POZZI METODI DI PERFORAZIONE DEI POZZI Pozzi scavati a mano o con tecnologia semplice Pozzi a percussione Pozzi a rotazione COMPLETAMENTO DEI POZZI Messa in opera della colonna I filtri Il dreno SVILUPPO (SPURGO) DEI POZZI MANUTENZIONE DEI POZZI IDRODINAMICA DEI POZZI IL LIVELLO DINAMICO IN UN POZZO Il metodo di Porchet Il coefficiente di immagazzinamento IDRODINAMICA DEI POZZI: IL METODO DI EQUILIBRIO Caso di un acquifero confinato Caso di un acquifero libero Applicazioni del metodo di equilibrio METODO DI NON EQUILIBRIO Metodo di Theis Metodo dell'approssimazione logaritmica di Cooper-Jacob Applicazione del metodo senza piezometro Interpretazione generale della retta caratteristica Il metodo delle immagini La curva di risalita LE PROVE DI EMUNGIMENTO Prove su pozzo singolo Prove di emungimento con stazioni di controllo piezometrico LA GESTIONE DELLE ACQUE SOTTERRANEE VALUTAZIONE DELLE RISERVE IDRICHE LE RISERVE SFRUTTABILI IL BILANCIO IDROGEOLOGICO DEGLI ACQUIFERI DI SOTTOSUOLO Metodologia di calcolo dei termini del bilancio idrico L'OTTIMIZZAZIONE DELLO SFRUTTAMENTO DELLE RISORSE IDRICHE LA RICARICA ARTIFICIALE DELLE FALDE ARCHIVIAZIONE ED ELABORAZIONE DATI MEDIANTE STRUMENTI INFORMATICI Archiviazione elettronica dei dati Elaborazione dati e geostatistica I modelli numerici Caso di studio 6 BILANCIO DELLA FALDA DI PRATO L'INQUINAMENTO DELLE ACQUE SOTTERRANEE CONSIDERAZIONI GENERALI ORIGINE DELL'INQUINAMENTO Modalità di immissione dell'inquinante nell'ambiente Attività fonti potenziali di inquinamento INQUINANTI DELLE ACQUE SOTTERRANEE Le specie chimiche come inquinanti Composti organici IL TRASPORTO DEGLI INQUINANTI NELLA ZONA NON SATURA La zona non satura Il movimento dell'acqua nella zona non satura Il potere autodepurante del terreno IL TRASPORTO DEGLI INQUINANTI IN FALDA...239

7 Parametri idrodinamici ed idrodispersivi dell'acquifero Morfologia della superficie piezometrica Tipologia dell'inquinante Tipologia di emissione della sorgente inquinante IL DISINQUINAMENTO DEGLI ACQUIFERI CONTAMINATI Delimitazione dell'area contaminata Interventi di bonifica del terreno contaminato Interventi di disinquinamento dell'acquifero Caso di studio 7 UN CASO D INQUINAMENTO DA SOLVENTI CLORURATI L INTRUSIONE DI ACQUA MARINA L'EQUILIBRIO FRA LE ACQUE DOLCI E QUELLE MARINE PREVENZIONE E CONTROLLO DELL'INTRUSIONE DI ACQUA MARINA ALTRE CAUSE DI SALINIZZAZIONE DELLE FALDE COSTIERE Caso di studio 8 - SALINIZZAZIONE DELLE FALDE DELLA PIANURA DI GROSSETO LA PROTEZIONE DELLE ACQUE SOTTERRANEE LA PIANIFICAZIONE TERRITORIALE LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ DEGLI ACQUIFERI I fattori di vulnerabilità Le Carte della vulnerabilità Le Carte della vulnerabilità degli acquiferi permeabili per fratture I limiti delle Carte di vulnerabilità IL RISCHIO D INQUINAMENTO La pericolosità Il valore della risorsa Le Carte del rischio LE AREE DI SALVAGUARDIA DI POZZI E SORGENTI Protezione statica Protezione dinamica Attuazione delle aree di salvaguardia Aree di rispetto delle sorgenti GLOSSARIO DI IDROGEOLOGIA BIBLIOGRAFIA...305