RICERCA E SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI COLTURALI ALTERNATIVI NELL AREA CRITICA DEL LAGO DI MASSACIUCCOLI

Transcript

1 RICERCA E SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI COLTURALI ALTERNATIVI NELL AREA CRITICA DEL LAGO DI MASSACIUCCOLI - Allegati alla Relazione finale - Gruppo di ricerca: Ilaria Baneschi, Paolo Basile, Enrico Bonari, Silvia Cannavò, Marco Ginanni, Massimo Guidi, Marco Mazzoncini, Chiara Pistocchi, Rosalba Risaliti, Rudy Rossetto, Tiziana Sabbatini I responsabili scientifici: dott. Nicola Silvestri prof.ssa Laura Ercoli

2 INDICE ALLEGATO 1 Analisi delle serie storiche pluviometriche delle stazioni di Torre del Lago e di Viareggio 1 ALLEGATO 2 La caratterizzazione idrologica del bacino del Lago di Massaciuccoli 19 A.2.1 Obiettivi 19 A Il reticolo idrografico 19 A Il campo di moto delle acque sotterranee 31 A Il modello concettuale idrologico 35 A Il modello numerico del flusso delle acque sotterranee del settore meridionale del bacino del Lago di Massaciuccoli 39 A Analisi idrologica dei sottobacini chiusi alle sezioni AS1, AS8, AS14, AS16 45 A I termini utilizzati per la definizione del bilancio idrico del lago nel periodo estivo 50 ALLEGATO 3 Questionario ALLEGATO 4 Applicazione per la stima dell evapotraspirazione effettiva delle colture 55 ALLEGATO 5 Modelli di mescolamento 62 ALLEGATO 6 La mineralizzazione della sostanza organica 71

3 ALLEGATO 1 Analisi delle serie storiche pluviometriche delle stazioni di Torre del Lago e di Viareggio. Per una migliore caratterizzazione del bacino idrologico dell area di studio, sono state acquisite dal Servizio Idrologico della Regione Toscana ed elaborate le serie temporali relative ai dati pluviometrici delle stazioni di Torre del Lago e di Viareggio, disponendo queste delle serie temporali più lunghe.i dati disponibili, consistenti nelle precipitazioni e nei giorni di pioggia mensili, per la stazione di Viareggio sono riferiti al periodo e , mentre quelli della stazione di Torre del Lago al periodo I dataset in questione sono incompleti per alcuni mesi o addirittura anni (per la stazione di Viareggio mancano completamente gli anni dal 1942 al 1950): è stato quindi necessario ricostruire le serie temporali attraverso processi di analisi statistica seguendo i metodi descritti in FAO (1998). Le quantità di pioggia sono espresse in mm. Tale analisi statistica permette di ricavare i valori di precipitazione mancanti di una stazione mediante l ausilio di una seconda stazione di riferimento, che possiede l intera serie di dati, una volta verificata l omogeneità tra le due stazioni, applicando un appropriata analisi di regressione. Una volta verificata l omogeneità delle due serie temporali, con anche i dati della stazione di Metato (mancando gli anni 2002 e 2003 per le stazioni precedenti), sono state completate le serie di dati pluviometrici per le stazioni di Viareggio e di Torre del Lago. Per le serie storiche di dati pluviometrici mensili così ricostruite si è effettuata l analisi statistica descrittiva al fine di caratterizzare l andamento delle quantità di precipitazioni in un dato intervallo temporale. Si è inoltre valutata l'intensità della pioggia definita come il rapporto fra la pioggia caduta nel periodo e il numero di giorni piovosi. Nel seguito si presentano le analisi statistiche relative ai dati annuali, mensili, giornalieri delle stazioni di Viareggio e di Torre del Lago. Dopo la raccolta dei dati grezzi e la ricostruzione delle serie temporali ove mancanti, sono stati prodotti i grafici che mostrano l andamento delle precipitazioni cumulate annue (Figura 1 e Figura 2) e la distribuzione di frequenza (Figura3a e 3b), mentre nella Tabella 1 sono riportati gli statistici descrittivi per entrambe le stazioni. Per la stazione di Viareggio, le precipitazioni cumulate annue hanno valori compresi tra i mm/anno e i 1506 mm/anno, misurati rispettivamente nel 1926 e nel Il valore medio della cumulata annua per tutta la serie è pari a mm/anno, mentre quello della mediana a La vicinanza di questi valori indica che la distribuzione è simmetrica. Per la stazione di Torre del Lago il valore minimo della cumulata annua è pari a mm/anno (1993) mentre quello massimo pari a mm/anno (1960). Anche per questa distribuzione i valori di media e mediana sono molto simili e pari rispettivamente a mm/anno e mm/anno. Confrontando gli statistici descrittivi relativi alla cumulata annua delle due stazioni, si può osservare come questa sia statisticamente maggiore nella stazione di Viareggio. Inoltre, il maggiore valore di deviazione standard per la stazione di Viareggio, indica una maggiore variabilità delle precipitazioni in quest ultima stazione. Per quanto riguarda l andamento delle precipitazioni mensili, osservando i valori di media, moda e mediana, per la stazione di Viareggio riferiti all intervallo temporale e (Tabella 2), si deduce che le precipitazioni massime sono registrate nei mesi di ottobre e novembre (quest ultimo statisticamente il mese più piovoso), mentre le minime nel periodo compreso tra giugno ed agosto (essendo luglio statisticamente il mese meno piovoso). Circa la variabilità dei dati, il più basso valore di deviazione standard è nel mese di luglio; di contro, ottobre è il mese con il valore di deviazione standard più elevato. Data l omogeneità delle due serie temporali, anche gli statistici della stazione di Torre del Lago (per l intervallo ; (Tabella 3) non si discostano da quelli della stazione di Viareggio, per cui i mesi più 1

4 piovosi sono ancora quelli di ottobre e novembre, mentre i mesi meno piovosi sono quelli del periodo estivo, con luglio statisticamente il meno piovoso Precipitazione (mm) Anno Fig. 1 - Grafico delle precipitazioni cumulate annue della stazione di Viareggio ( ). Fig. 2 - Grafico delle precipitazioni cumulate annue della stazione di Torre del Lago ( ). Stazione max min V media mediana Dev. St. Viareggio Torre del Lago Tab. 1 - Statistici descrittivi riferiti alla stazione di Viareggio e Torre del Lago per i valori della cumulata annua (in mm). 2

5 3A 3B Fig. 3a e 3b - Distribuzione di frequenza della pioggia cumulata annua per la stazione di Viareggio (A) e in quella di Torre del Lago (B). Classi in mm di altezze di pioggia. 3

6 Mesi max min V media moda mediana Dev. St. Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Tab. 2 - Statistici descrittivi riferiti alla stazione di Viareggio dei valori di precipitazione (in mm) per ogni mese per il range temporale e Mesi max min V media moda mediana Dev. St. Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Tab. 3 - Statistici descrittivi riferiti alla stazione di Torre del Lago dei valori di precipitazione (in mm) per ogni mese per il range temporale 1954 al Di seguito si sono ricercate variazioni significative del regime pluviometrico nel dominio di studio confrontando la media della cumulata annua riferibile al primo anno idrologico medio disponibile (ovvero dal primo anno in cui esistono dati disponibili) con la media della cumulata annua degli anni idrologici relativi all ultimo decennio. Si è quindi definita la durata dell anno idrologico medio studiando l andamento della deviazione standard della media della cumulata annua nel tempo. Considerando un intervallo temporale iniziale di 10 anni a partire dal primo anno in cui si dispone del dato e aumentando progressivamente il lag temporale si è andati a ricercare l intervallo temporale per il quale la deviazione standard cessa di avere una variabilità elevata. Per la stazione di Viareggio tale analisi è stata effettuata considerando lag temporali a partire dal 1921 (quindi , ,, ). Osservando il grafico della deviazione standard (Figura 4) si è scelto di considerare stabile la variabilità quando la deviazione standard oscilla nel range compreso tra 203 mm e 221 mm, con un intervallo di variazione di 18 mm. La serie si stabilizza quindi a partire dal 1953, a causa della mancanza di dati nel decennio , indicando un anno idrologico medio della durata di 24 anni. Per la stazione di Torre del Lago tale analisi è stata effettuata considerando lag temporali a partire dal 1954 (quindi , ,, ); con lo stesso criterio seguito per la 4

7 stazione di Viareggio si osserva una stabilizzazione della variabile deviazione standard a partire da 22 anni (Figura 5), ovvero dal 1976, con una variazione della dev. st. interannuale di 12 mm. Successivamente si è analizzato l andamento delle medie della cumulata annua per gli stessi intervalli temporali per entrambe le stazioni (Figura 6 e 7). Per la stazione di Viareggio i valori della media della cumulata presentano per il periodo successivo al un intervallo di variazione pari a 44 mm/anno con un massimo di 1007 mm/anno e un minimo di 963 mm/anno. Per la stazione di Torre del Lago per il periodo la media presenta un minor intervallo di variazione, pari a 37 mm/anno, ma con valori massimi e minimi minori rispetto alla stazione di Viareggio, pari rispettivamente a 925 mm/anno e 888 mm/anno. Sulla base delle osservazioni sopra esposte e per omogeneità con quanto riportato in letteratura (si veda ad es. Celico, 1986), si è ritenuto comunque corretto considerare un anno idrologico medio di durata minima pari a 30 anni, nonostante le analisi sopra esposte ne indichino rispettivamente in 24 e 22 anni la durata per le stazioni di Viareggio e Torre del Lago. Per il confronto di cui sopra, per la stazione di Viareggio, a seguito della mancanza di dati tra il 1941 e il 1950, si è considerata la media dei valori di precipitazione dal 1921 al 1959 (pari a mm), mentre per la stazione di Torre del Lago è stata invece considerata la media dei valori dal 1954 al 1983 (pari a 901 mm). Si è quindi valutato l andamento della media mobile semplice della cumulata annua con un periodo di 30 anni. In Figura 8 (stazione di Viareggio) i valori mostrano un trend in crescita, superiore alla media del primo anno idrologico utile ( ), fino alla media relativa al periodo ; a partire dai primi dati successivi disponibili (media ) si osserva una diminuzione della variabile, che a partire dalla metà degli anni 60 è sempre inferiore rispetto alla media del primo anno idrologico disponibile. In Figura 9 è presentato l andamento della media mobile relativa alla stazione di Torre del Lago. Sulla base delle analisi fin qui esposte è possibile asserire: - che per la stazione di Viareggio è rilevabile un andamento in diminuzione della cumulata annua delle precipitazioni a partire dal 1966, che si fa più marcato dal 1976 e che questa diminuzione raggiunge il valore massimo di circa 65.6 mm/anno (media ; 6.8% della media di riferimento) rispetto alla media ; - che per la stazione di Torre del Lago la media mobile, seppur mantenendosi al di sotto della media , ha un andamento oscillante per cui non si può parlare di evidente trend discendente; la media presenta infine una lieve diminuzione della cumulata annua rispetto alla media di riferimento pari a circa 30.3 mm/anno (3.4% della media di riferimento). Si è passati poi valutare possibili variazioni quantitative nelle precipitazioni cumulate per il solo periodo estivo, di maggiore interesse per le criticità legate agli utilizzi irrigui e la distribuzione idropotabile, considerando i mesi di giugno, luglio, agosto e settembre. Nella Tabella 4 sono riportati i valori degli statistici descrittivi delle cumulate estive per entrambe le stazioni pluviometriche. Anche in questo caso gli statistici sono molto simili. La media delle cumulata estiva calcolata per la stazione di Viareggio è maggiore rispetto a quella di Torre del Lago, mentre il valore di deviazione standard è prossimo a 100 mm per entrambe le stazioni. Dall istogramma di frequenza relativo alla stazione di Viareggio, Figura 10, si può osservare che la classe più frequente è quella compresa tra 150 mm e 200 mm, con 4 anni al termine estremo che presentano valori compresi tra 450 mm e 500 mm (1937, 1991, 1965 e 2002). La Figura 11 è relativa alla stazione di Torre del Lago: l istogramma mostra un asimmetria positiva con i valori più frequenti compresi tra 100 mm e 150 mm; gli anni in cui si registrano i maggiori valori di precipitazione cumulata estiva, compresi tra 450 mm e 500 mm, sono il 1965 e il

8 (mm) Dev.st Intervallo considerato (Anni) Fig. 4 - Grafico della deviazione standard per la stazione di Viareggio per intervalli temporali progressivi (mm) Dev.st Intervallo considerato (Anni) Fig. 5 - Grafico della deviazione standard per la stazione di Torre del Lago per intervalli temporali progressivi. 6

9 (mm) media Intervallo considerato (Anni) Fig. 6 - Grafico della media della cumulata per la stazione di Viareggio per intervalli temporali progressivi. (mm) media Intervallo considerato (Anni) Fig. 7 - Grafico dell andamento della media della cumulata per la stazione di Torre del Lago per intervalli temporali progressivi. 7

10 Precipitazione media (mm) Media ogni 30 anni Media Intervalli (30 anni) Fig. 8 - Andamento della media mobile semplice per la stazione di Viareggio Precipitazione media (mm) Media ogni 30 anni Media Intervalli (30 anni) Fig. 9 - Andamento della media mobile semplice per la stazione di Torre del Lago. Stazione max min V media mediana Dev.St. Viareggio Torre del Lago Tab. 4 - Statistici descrittivi delle cumulate estive per la stazione di Viareggio ( ) e la stazione di Torre del Lago ( ) 8

11 Frequenza Classi Fig Distribuzione di frequenza della pioggia cumulata dei mesi estivi per la stazione di Viareggio. Classi in mm di altezza di pioggia Frequanza Classi Fig Distribuzione di frequenza della pioggia cumulata dei mesi estivi per la stazione di Torre del Lago. Classi in mm di altezza di pioggia. I grafici riportati di seguito (Figura 12 e 13) mostrano l andamento delle precipitazioni cumulate estive. La media mobile, di periodo 30 anni; per la stazione di Viareggio mostra un netto e progressivo aumento dei valori discostandosi dal valore medio cumulato del periodo (pari a mm) con valori massimi registrati per la media (235.7 mm; delta di 58.2 mm) e pari a mm per la media (delta di 35 mm). Per la stazione di Torre del Lago questo trend è presente rispetto alla media (194.5 mm), ma di minore entità (massimo di per la media , delta di 24 mm; media pari a mm, con delta di 6.2 mm). Si può pertanto concludere che mentre per la stazione di Viareggio è evidente un aumento delle precipitazioni estive, per la stazione di Torre del Lago siamo in presenza di una sostanziale stabilità. 9

12 Precipitazioni (mm) Media Media mobile per un periodo di 30 anni Anno Fig Andamento delle precipitazioni cumulate riferite al periodo estivo per la stazione di Viareggio. Precipitazione (mm) Media Media mobile per un periodo di 30 anni Anno Fig.13 - Andamento delle precipitazioni cumulate riferite al periodo estivo per la stazione di Torre del Lago. Esaminate le precipitazioni si sono ricercate variazioni nel numero dei giorni di precipitazione annui: i dati utilizzati considerano solo i giorni in cui le precipitazioni registrate sono maggiori o pari a 1 mm (fonte del dato Centro Funzionale della Regione Toscana). In questo caso, per la presenza di dati anomali precedenti agli anni 30, per la stazione di Viareggio è stata analizzata la serie temporale dal 1951 al 2009, mentre per la stazione di Torre del Lago dal 1954 al In Tabella 5 sono riportati gli statistici descrittivi relativi alle due serie temporali. Il numero di giorni piovosi annui dell'intera serie della stazione di Viareggio è compreso tra 59 e 118 giorni, con una media di 86.2 giorni piovosi all anno e una dev. st. di 13.7 giorni. Per la stazione di Torre del Lago il numero di giorni piovosi per anno è compreso tra 58 giorni e 109 giorni, con una media di 83.9 giorni piovosi annui e una dev. st. di 12.7 giorni. I grafici di Figura 14 e 15 riportano la frequenza dei giorni di precipitazioni annui monitorati nelle due stazioni, mostrando una distribuzione pressoché Gaussiana. 10

13 Stazione max min media moda mediana Dev. St. Viareggio Torre del Lago Tab. 5 - Statistici descrittivi relativi ai giorni di precipitazione annua per la stazione di Viareggio ( ) e di Torre del Lago ( ) Numero di anni Numero di giorni piovosi Fig Istogramma di frequenza dei giorni di precipitazioni annui per la stazione di Viareggio Numero di anni Numero di giorni piovosi Fig.15 - Istogramma di frequenza dei giorni di precipitazioni annui per la stazione di Torre del Lago. Investigando la distribuzione mensile dei giorni di pioggia, per la stazione di Viareggio (Tabella 6) il mese di luglio presenta il minor numero di giorni di pioggia (massimo 9 giorni e minimo 0 giorni) con il valore di deviazione standard minore pari a 1.9 giorni. Il mese che ha mediamente il numero maggiore di eventi piovosi è novembre (media pari a 10 giorni), anche se il numero massimo di giorni di precipitazione sono stati registrati nel mese di ottobre nel 1992 dove si sono avuti 20 giorni di precipitazione. La Tabella 7, relativa alla stazione di Torre del Lag,o conferma luglio come il mese con minori giorni piovosi con un massimo di 6 giorni e 11

14 minimo 0 giorni. Anche per questa stazione il mese di novembre è mediamente quello con il maggior numero di eventi giornalieri con una media di 10 giorni, anche se il mese che ha mostrato il maggior numero di giorni di precipitazioni è stato febbraio nel 1968 con 20 giorni di pioggia. Mesi max min V media moda mediana Dev. St. Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Tab. 6 - Statistici descrittivi relativi ai giorni di precipitazione mensili per la stazione di Viareggio ( ). Mesi max min V media moda mediana Dev. St. Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Tab. 7 - Statistici descrittivi relativi ai giorni di precipitazione mensili per la stazione di Torre del Lago ( ). Per la stazione di Viareggio il numero di giorni con più di 40 mm e 60 mm di pioggia (giorni molto piovosi) è compreso tra 0 e 10 e fra 0 e 5 rispettivamente (Figura 16 e 17). Il maggior numero di giorni di tale entità è stato registrato nel Per la stazione di Torre del Lago sono stati invece considerati il numero di giorni con più di 40 mm e 50 mm di pioggia (Figura 18 e 19). I giorni di pioggia maggiori di 40 mm sono massimi nel 1991 con 8 giorni, mentre i giorni con più di 50 mm sono massimi nel 2004 con 5 giorni. Il 1991 presenta un valore della cumulata annua notevolmente superiore alla media relativa al set di dati considerati per entrambe le stazioni e, un numero di giorni piovosi leggermente superiore alla media. 12

15 Numero di anni Numero di giorni piovosi con più di 40 mm di pioggia Fig Distribuzione dei giorni con più di 40 mm di pioggia per la stazione di Viareggio ( ) Numero di anni Numero di giorni piovosi con più di 60 mm di pioggia Fig Distribuzione dei giorni con più di 60 mm di pioggia per la stazione di Viareggio ( ) Numero di anni Numero di giorni piovosi con più di 40 mm di pioggia Fig Distribuzione dei giorni con più di 40 mm di pioggia per la stazione di Torre del Lago ( ). 13

16 Numero di anni Numero di giorni piovosi con più di 50 mm di pioggia Fig Distribuzione dei giorni con più di 50 mm di pioggia per la stazione di Torre del Lago ( ). Nella Figura 20 si mostra l evoluzione temporale dei giorni di pioggia annui per la stazione di Viareggio: rispetto alla media dei giorni annui di pioggia effettuata considerando il periodo (pari a 91.6 giorni), si osserva una diminuzione che ha il suo minimo nella media (80.8 giorni di pioggia); in sintesi a partire dalla fine degli anni 70 del secolo scorso si è assistito ad una riduzione di circa 10 giorni di pioggia/anno. Alla stazione di Torre del Lago (Figura 21) la riduzione è meno marcata e rispetto alla media (86.7 giorni/anno) si assiste ad un minimo relativo alla media (80.2 giorni/anno), ovvero ad una riduzione di circa 6 giorni/anno. Analizzati i dati di precipitazione e di giorni di precipitazione annua, si è studiata l'intensità della pioggia, cioè la quantità di pioggia che in media cade in un giorno piovoso. Questa quantità è definita dal rapporto fra la quantità di pioggia che cade in un anno e il numero di giorni piovosi dell'anno stesso. L analisi sull intensità è stata effettuata per la stazione di Viareggio dal 1951 al 2009 e per la stazione di Torre del lago dal 1954 al Il calcolo dell intensità presenta un errore dovuto al fatto che la quantità di pioggia annua considerata tiene conto anche delle precipitazioni inferiori a 1 mm di pioggia, mentre i giorni di pioggia annua considerati sono quelli con una precipitazione maggiore o uguale a 1 mm. Tale errore è stato considerato trascurabile poiché la somma delle precipitazioni annue inferiori al mm/giorno è pari in media a circa l 1 % delle precipitazioni cumulate annue. Si riportano nella Tabella 8 gli statistici descrittivi relativi alle due stazioni per le serie di dati considerati. Si può osservare che statisticamente i valori d intensità di precipitazione annua sono maggiori per la stazione di Viareggio rispetto a quelli della stazione di Torre del Lago. Per la stazione di Viareggio i valori d intensità variano da 16.2 mm/giorno a 8.1 mm/giorno con un valore medio pari a 11.2 mm/giorno. La stazione di Torre del Lago presenta una variabilità dei valori d intensità tra 14.3 mm/giorno e 7.5 mm/giorno e un valore medio pari a 10.7 mm/giorno. Si è successivamente analizzata l evoluzione temporale dell intensità annuale delle precipitazioni. Dalle Figure 22 e 23 si osserva come l intensità annuale delle precipitazioni sia praticamente invariata alla stazione di Viareggio, mentre segua un trend positivo per la serie riferita alla stazione di Torre del Lago (dal valore medio di mm/giorno relativo alla serie al valore mm/giorno per la media ). Si è passati poi ad esaminare l evoluzione temporale dell intensità di pioggia relativamente al periodo estivo (come precedentemente esposto per le precipitazioni). Le Figure 24 e 25 mostrano come nel periodo estivo i trend siano positivi per entrambe le stazioni. Rispetto alla media (pari a 11.5 mm/giorno) alla stazione di Viareggio si assiste ad un incremento che porta la media al valore 12.9 mm/giorno. Un incremento minore si 14

17 registra per la media , mm/giorno alla stazione di Torre del Lago rispetto al valore mm/giorno del periodo Giorni Media Media mobile per 30 anni Fig Andamento dei giorni annui di pioggia per la stazione di Viareggio. Anni Giorni Media Media mobile per 30 anni Anni Fig Andamento dei giorni annui di pioggia per la stazione di Torre del Lago. Stazioni max min V media moda mediana Dev. st. Viareggio Torre del Lago Tab. 8 - Statistici descrittivi relativi all intensità di pioggia annua per la stazione di Viareggio e di Torre del Lago. 15

18 Intensità (mm/giorno) Media Media mobile per 30 anni Anni Fig Evoluzione temporale dell intensità di pioggia annua per la stazione di Viareggio Intensità (mm/giorno) Media Media mobile per 30 anni Anni Fig Evoluzione temporale dell intensità di pioggia annua per la stazione di Torre del Lago. 16

19 35.0 Intensità (mm/giorno) Media Media mobile per 30 anni Anni Fig Evoluzione temporale dei valori d intensità relativamente al periodo estivo per la stazione di Viareggio Intensità (mm/giorno) Media Media mobile per 30 anni Anni Fig Evoluzione temporale dei valori d intensità relativamente al periodo estivo per la stazione di Torre del Lago Conclusioni L analisi della serie di dati per la stazione di Viareggio ( e ) e per quella di Torre del Lago ( ) ha permesso di studiare le caratteristiche del regime pluviometrico inerente all area di nostro interesse e la sua evoluzione a partire dalla metà del secolo scorso. Le precipitazioni cumulate annue misurate alla stazione di Viareggio sono superiori rispetto a quelle della stazione di Torre del Lago. Le medie delle precipitazioni annue, per entrambe le stazioni, mostrano il minimo a luglio (25.6 mm e 19 mm di precipitazione media rispettivamente per la stazione di Viareggio e di Torre del Lago) e il massimo tra ottobre e 17

20 novembre (con una media di 130 mm e 120 mm rispettivamente per la stazione di Viareggio e di Torre del Lago). Per quanto riguarda i giorni di precipitazione, luglio è il mese con il minor numero di giorni piovosi (con un valore medio di 2 giorni, misurato in entrambe le stazioni) mentre novembre è statisticamente il mese con più giorni di pioggia (con una media di 10 giorni di precipitazione in entrambe le stazioni). La media annua dei giorni piovosi per tutta la serie dei dati è maggiore alla stazione di Viareggio (86.2 giorni/anno) rispetto a quella di Torre del Lago (83.9 giorni di pioggia/anno). L intensità di pioggia media annua è maggiore per la stazione di Viareggio: 11.2 mm/giorno contro 10.7 mm/giorno di Torre del Lago. Per la stazione di Viareggio è rilevabile una diminuzione della cumulata annua delle precipitazioni a partire dal 1966, che si fa più marcata dal 1976; tale diminuzione è massima per la media e pari a circa 65.6 mm/anno rispetto alla media scelta come valore di riferimento. La stazione di Torre del Lago non mostra invece un evidente trend discendente, per cui è sostanzialmente stabile. L intensità annua di pioggia mostra invece una stabilità temporale per la stagione di Viareggio e un lieve incremento per quella di Torre del Lago (dal valore medio di mm/giorno relativo alla serie al valore mm/giorno per la media ). Esaminando invece i trend per il solo periodo estivo (giugno, luglio, agosto e settembre), per la stazione di Viareggio è evidente un aumento delle precipitazioni estive (compreso tra 35 e 58 mm), mentre relativamente alla stazione di Torre del Lago anche in questo caso siamo in presenza di una sostanziale stabilità. Per quanto riguarda l intensità di pioggia nel periodo estivo, gli ultimi trenta anni vedono un aumento di circa 1 mm/giorno per entrambe le stazioni. 18

21 ALLEGATO 2 La caratterizzazione idrologica del bacino del Lago di Massaciuccoli A Obiettivi Come anticipato nel Capitolo 3 gli obiettivi dell analisi idrologica/idrogeologica sono stati quelli di fornire delle stime dei volumi di acqua conferiti dalle bonifiche al sistema lago (distinguendo dal volume totale la parte relativa al deflusso di base, ovvero ai volumi drenati dai canali di acque basse dall acquifero, e la parte relativa al deflusso superficiale), di valutare il bilancio idrico del lago nel periodo nel periodo estivo e restituire dati necessari alla valutazione della congruenza della fornitura irrigua con i reali bisogni delle colture. Inoltre i dati sulle variabili idrologiche ottenuti sono stati utilizzati per stimare i quantitativi di fosforo in gioco nel sistema ed in alcuni sottobacini del dominio di studio (come descritto nel Capitolo 5 della Relazione finale). Per raggiungere tali obiettivi si è effettuata una prima analisi preparatoria consistita nel rilevamento idrologico/idrogeologico che ha portato ad un momento di sintesi riassumibile nel modello concettuale idrologico. Sulla base di tale modello si è quindi affrontata l analisi quantitativa per definire i bilanci idrologici e da questi ricavare i termini necessari alle altre analisi. In questo capitolo si presentano, nell ordine: - i risultati del rilevamento idrologico/idrogeologico (Cap. A.2.2 e Cap. A.2.3) grazie ai quali si è giunti alla definizione del modello idrologico concettuale del sistema in analisi (Cap. A.2.4), - l implementazione ed alcuni risultati del modello numerico del flusso delle acque sotterranee (Cap. A.2.5), - i bilanci idrologici relativi alla sezione di chiusura (AS1, AS14, AS8 e AS16) di quattro porzioni rappresentative dei sottobacini rispettivamente della bonifica di Vecchiano, della bonifica di Massaciuccoli e dell area a scolo naturale, per il periodo Luglio 2008 Giugno 2009 (Cap. A.2.6), - i termini utilizzati per la definizione del bilancio idrico estivo, periodo di maggiore stress idrico, del bacino lacustre per l anno idrologico medio , (Cap. A.2.7). A.2.2 Il reticolo idrografico Nell area di studio il funzionamento del sistema della bonifica, suddiviso nei tre sottobacini, è basato sulla presenza di un fitto reticolo di canali la cui funzione è quella di: - raccogliere le acque di ruscellamento superficiale in seguito alle precipitazioni meteoriche; - drenare le acque sotterranee dell acquifero superficiale quando queste raggiungano un livello (carico idraulico) superiore a quello del fondo dei canali. Questo sistema di canali di acque basse convoglia verso il Collettore di Vecchiano ed il Collettore di Massaciuccoli sia le acque sotterranee drenate, sia quelle superficiali raccolte dal reticolo di rango inferiore nei periodi di pioggia, che a loro volta vengono sollevate dalle idrovore dei due sottobacini nel Canale Barra-Barretta. In Tab. 1 sono riportati i valori massimi e minimi dei deflussi rilevati durante le campagne correntometriche alle sezioni monitorate o alle quali è stata effettuata una stima visiva. La direzione dei deflussi nel reticolo idrografico presenta una forte stagionalità legata agli apporti meteorici ed alla presenza di derivazioni irrigue (Fig. 1 e Fig. 2). Di seguito vengono sinteticamente illustrate le risultanze dell indagine compiuta sul reticolo idrografico suddivise per sottobacini di bonifica e canali di acque alte. Il Canale Barra-Barretta e l area a scolo naturale. Il Canale Barra-Barretta, principale collettore dell area a scolo naturale, ha inizio nei pressi della località Baccanella ad Est dell abitato di Vecchiano e termina nel Lago di Massaciuccoli dopo aver ricevuto gli apporti delle idrovore della bonifica di Vecchiano e della 19

22 bonifica di Massaciucccoli. Nel tratto iniziale attraversa l abitato di Vecchiano in un alveo in cemento a sezione rettangolare: in assenza di precipitazioni meteoriche i deflussi attraverso l abitato sono legati a scarichi di reflui urbani non collettati di portata totale inferiore al l/s; all altezza del depuratore di Vecchiano (Fig. 3.2) riceve il contributo (di valore medio intorno ai 15 l/s) relativo all immissione dei reflui depurati. Nel periodo estivo, grazie alla presenza di un opera di presa nell alveo del Fiume Serchio, si sono misurate portate immesse comprese tra 180 l/s (10 Luglio 2009) e 90 l/s (16 Ottobre 2009). Sezione Max Min Sezione Max Min monitorata m 3 /s m 3 /s monitorata m 3 /s m 3 /s FLAS CH FLAS2* CH FLAS CH FLAS CH FLAS5* DE FLAS FL0/ FLAS FL FLAS FL FLAS FLAS FLAS FL FLAS FL FLAS FL FLAS FL FLAS FL FLAS FLB CH FLFCL CH2 0 0 FLRQ CH3 0 0 FLTB CH FLDX CH FLTAM Tab. 1 - Deflussi massimi e minimi alle sezioni monitorate durante il periodo di indagine. Il segno negativo indica deflussi NON diretti verso il Lago. Il Canale Barra-Barretta non sempre defluisce verso il lago; è pertanto impossibile quantificare gli apporti al lago dall area a scolo naturale tramite misure correntometriche. Infatti, se in occasione di importanti eventi meteorici alla sezione FL2 si sono osservate portate dirette verso il lago intorno a 240 l/s (21 Gennaio 2009), alcune misure testimoniano una direzione di deflusso, di pochi l/s (29 Settembre 2009) in direzione FLAS16, o un deflusso sostanzialmente assente (15 Gennaio 2009). Inoltre, osservazioni del livello del battente idraulico del Canale Barra-Barretta, effettuate grazie ad un asta idrometrica alla sezione FL2 (Fig. 3, congiuntamente a misure di portata, evidenziano, in assenza di precipitazioni, una relazione diretta tra il livello del battente idraulico del Canale Barra-Barretta e quello del Lago di Massaciuccoli. Nel periodo estivo sono attive 7 derivazioni a scopo irriguo, le cui portate possono essere controllate per mezzo di stramazzi; la più importante di queste è situata all altezza del Fosso Gorello (punto CH1; Fig. 4). Nei periodi estivi dell anno 2008 e 2009 osservazioni, misure di portata e misure di conducibilità elettrica delle acque sul tratto di asta del Canale Barra- Barretta tra le sezioni FLAS16 e FL2 hanno permesso di ipotizzare (Fig. 5): - per il periodo precedente all attivazione della derivazione dal Fiume Serchio corrispondente al mese di giugno e in assenza di precipitazioni, che le acque presenti nel tratto terminale del Canale Barra-Barretta risalgano sino all altezza della confluenza con il Fosso Separatore; 20

23 - per il periodo in cui la derivazione dal Fiume Serchio è attiva (e pari a circa l/s) che le acque del tratto terminale della Barra risalgano fino alla derivazione CH1 la cui portata, nei periodi di massimo prelievo è stata misurata intorno a 200 l/s. E altresì ipotizzabile che all altezza di CH1 si abbia miscelazione tra acque derivate dal Fiume Serchio ed acque provenienti dalla parte terminale della Barra (FLAS10). In tale periodo nel 2009 al ponte alle idrovore sul Canale Barra-Barretta è stato misurato un deflusso di circa 275 l/s in direzione di Vecchiano; - con l abbassarsi del battente idraulico del lago, nel mese di agosto è possibile ipotizzare che, le acque del tratto terminale della Barra non risalgano più fino all altezza della derivazione CH1. Per cui è verosimile che le acque utilizzate a scopo irriguo presso CH1 siano per buona parte acque provenienti dalla derivazione dal Fiume Serchio. In condizioni analoghe, ai primi di Settembre 2009 questa derivazione costituiva l unico deflusso osservabile nel Canale Barra, quasi completamente in secca, all altezza del ponte autostradale (si veda la Fig. 6); - con la chiusura della derivazione dal Fiume Serchio (generalmente nel mese di Settembre) è possibile ipotizzare che le acque del tratto terminale della Barra risalgano nuovamente almeno fino all altezza della confluenza con il canale Separatore. Ciò è anche confermato dall osservazione di deflussi negativi (diretti cioè verso Vecchiano, pari a circa 6 l/s) nel Canale Barra misurati in data 29 Settembre 2008 alla sezione FL2 all altezza di Via dei Salcetti. Tale andamento dei deflussi è inoltre testimoniato dallo stazionamento nel tratto compreso tra i ponti di Via di Traversagna e di Via dei Salcetti, osservato nell estate 2009, di un segmento superficiale in evidente fioritura algale, che, oltre a risentire di eventuali movimenti legati al vento, sposta la sua massa tra i due punti sopra menzionati in dipendenza della direzione di deflusso prevalente; Fig. 7 e Fig. 8). Ulteriori misure effettuate sull asta del Canale Barra- Barretta nel periodo invernale in corrispondenza della sezione FLAS10 confermano quanto sopra, fino ad evidenziare un deflusso pari a oltre 300 l/s in direzione di Vecchiano (13 Gennaio 2009). Sulla base dei risultati sopra esposti si ritiene che il deflusso nel Canale Barra-Barretta sia legato alla relazione tra le precipitazioni e l andamento del battente idraulico del Lago di Massaciuccoli, con quest ultimo a governare il sistema in assenza di precipitazioni. In particolare alla fine del periodo di magra, in seguito alle prime copiose precipitazioni autunnali, essendo la risalita della falda molto più lenta di quella del livello del lago, le acque del tratto terminale del Canale Barra risalgono ad inondare l intero reticolo di acque alte. Non si può infine escludere in questo meccanismo un influenza legata all immissione dei quantitativi di acqua pompata dalle idrovore di Vecchiano e di Massaciuccoli nel Canale Barra-Barretta. Questo effetto non è stato determinato nell ambito del presente progetto. Il Fosso Separatore, raccoglie i contributi del deflusso superficiale e drena le acque sotterranee della quasi totalità dell area a scolo meccanico. Questi deflussi dovrebbero essere conferiti nel Canale Barra-Barretta, sennonché, a causa del sifonamento di una soglia (posta a m s.l.m.; Consorzio di Bonifica Versilia-Massaciuccoli, comunicazione personale) nei pressi dell abitato di Migliarino (Fig. 9), portate anche dell ordine dei 100 l/s sono defluite nel periodo di osservazione nel Fosso della Traversagnola almeno fino al Luglio Ad oggi, come osservato anche in data 16 Ottobre 2009, il Separatore defluisce nel Canale Barra-Barretta nei momenti in cui le precipitazioni meteoriche generano ruscellamento superficiale; altrimenti ne costituisce verosimilmente un bacino laterale. Il reticolo drenato dal Fosso Separatore è attivo nel periodo dall autunno alla primavera: a partire da giugno, nel periodo osservato, e fino a fine settembre-metà ottobre il deflusso è assente (Fig. 2). Stesso fenomeno si manifesta per il Separatore stesso, che va in secca allorquando il livello del Lago raggiunge circa -0.25/-0.30 m s.l.m.. Per tale motivo alcuni agricoltori ne scavano il fondo creando una contropendenza per richiamare acqua dal Canale Barra-Barretta da attingere per gli scopi irrigui (come osservato in data 2 Settembre 2009; Fig. 10). 21

24 Fig. 1 Schema di circolazione delle acque superficiali nel periodo della ricarica. 22

25 Fig. 2 Schema della circolazione delle acque superficiali nel periodo estivo. 23

26 Fig. 3 - Asta idrometrica sul Canale Barra Barretta al Ponte di Via dei Salcetti presso la sezione FL2. Fig. 4 - Derivazione a scopo irriguo dal Canale Barra-Barretta al punto CH1. 24

27 Giugno 2008 LAGO 0.07 m s.l.m. Canale Barra - Barretta CH 1 FLAS 4 FL 2 SEPARATORE Luglio 2008 LAGO m s.l.m. Canale Barra - Barretta CH 1 FLAS 4 FL 2 SEPARATORE Agosto 2008 LAGO m s.l.m. Canale Barra - Barretta CH 1 FLAS 4 FL 2 SEPARATORE Settembre m s.l.m. LAGO Canale Barra - Barretta CH 1 FLAS 4 FL 2 SEPARATORE Fig. 5 Andamento dei deflussi nel Canale Barra-Barretta nel periodo estivo. 25

28 Fig. 6 - Deflusso nel Canale Barra-Barretta in data 2 Settembre 2009 all altezza del ponte autostradale; si possono osservare estesi tratti del canale in secca. Fig. 7 - Stazionamento del bloom algale tra il ponte autostradale e Via dei Salcetti in data 22 Giugno

29 Fig. 8 - Stazionamento del bloom algale tra il ponte autostradale ed il ponte di Via Traversagna in data 6 Agosto 2009 (movimento da legarsi al deflusso dovuto alla derivazione dal Fiume Serchio). Fig. 9 - Soglia oggetto del sifonamento in località Migliarino. 27

30 Fig Fosso Separatore in data 2 Settembre 2009 all altezza della stazione di servizio autostradale: incisione sul fondo del canale Separatore. Il reticolo della bonifica di Vecchiano Gli elementi idrologici principali del sottobacino di bonifica di Vecchiano sono costituiti dal Fosso Traversagnola, dal Fosso Gorello, dalla Fossa Magna, dal Fosso Reale, dalla Fossa Nuova e dal Collettore di Vecchiano. Nell area della bonifica la circolazione delle acque superficiali è alquanto complessa e presenta una forte stagionalità legata alla presenza delle derivazioni irrigue nel periodo estivo (Fig. 1 e Fig. 2). Di particolare interesse è la bonifica privata della Fattoria Traversagna, dove è stato realizzato un sistema di dreni sotterranei che convogliano le acque nei canali Fattoria Fontana, Fosso del Quarto e Fontana Corsi alla terminazione dei quali si trovano pompe che le sollevano e le immettono nella Fossa Reale. Le acque drenate dal sottosuolo attraversano livelli torbosi dove acquisiscono la tipica colorazione rossastra (Fig. 11). Concentrando l attenzione sull area compresa tra il padule di Malaventre e l ex Fattoria Gambini nella bonifica di Vecchiano si può schematizzare la circolazione delle acque, nel periodo estivo, nel modo seguente: - le acque del lago si infiltrano nell acquifero superficiale; - i canali della bonifica drenano queste acque dall acquifero superficiale; - le acque sotterranee oramai divenute acque superficiali vengono quindi convogliate verso le idrovore; - le idrovore pompano queste acque nuovamente nel lago. Per il periodo dal 1 luglio al 31 agosto 2009 (fine del ciclo colturale) è stata effettuata la stima dei volumi derivati dalla chiusa CH1 dal Canale Barra-Barretta (Fig. 3.1) utilizzando una relazione lineare tra il battente del lago e il livello dello stramazzo (definita in 0.47 cm di abbassamento all asticella dello stramazzo per cm di abbassamento del livello del lago). In tali condizioni è stato stimato un volume totale derivato pari a m 3 (Tab. 2). La presente stima è valida secondo le seguenti assunzioni: - la chiusa è tenuta costantemente aperta con la stessa luce per tutto il periodo considerato; - il battente idraulico del lago è in relazione lineare con l asticella dello stramazzo Cipolletti; - il battente idraulico non varia nelle 24 ore. 28

31 Poiché invece le acque derivate, come discusso precedentemente, sono costituite in parte anche da acque immesse dal Fiume Serchio, i volumi cumulati, nel caso di una derivazione pari a 200 l/s, ammontano a m 3, mentre nel caso di variabilità mensile della derivazione (Tab. 2 e Fig.12) ammontano a m3. Per cui ipotizzando che dalle altre chiuse presenti sia derivata una portata costante pari a 50 l/s si ottiene che dal Canale Barra-Barretta viene immesso nella bonifica di Vecchiano nel periodo luglio-agosto un volume variabile tra m 3 e m 3. Fig Particolare del sistema di bonifica della Fattoria Traversagna: sollevamento e conferimento delle acque drenate nella bonifica privata alla Fossa Reale. Stima dei volumi cumulati derivati dal 1 luglio al 31 agosto 2009 Q stimata Q costante = 200 l/s Q = 200 l/s per Luglio Q = 100 l/s per Agosto m m m 3 Tab. 2 - Volumi irrigui derivati dalla chiusa CH1 dal Canale Barra-Barretta nella bonifica di Vecchiano. Il reticolo della bonifica del Massaciuccoli Pisano e la Fossa Nuova Minore complessità presenta il reticolo della bonifica del Massaciuccoli Pisano dove il Collettore di Massaciuccoli convoglia all impianto idrovoro tutte le acque del settore meridionale di questo sottobacino. Un sistema di fossi pressoché parallelo al rilevato arginale drena la parte subito a sud del lago. Di particolare interesse è il canale di acque alte Fossa Nuova il cui deflusso è regolato, come nel caso del Canale Barra-Barretta, dalla relazione tra le precipitazioni e l andamento del battente idraulico del Lago di Massaciuccoli. Questo canale, oltre a convogliare verso il lago le acque del ruscellamento superficiale e dello sfioro della falda affiorante dal rilievo carbonatico (Fig. 13), è utilizzato nel periodo estivo per derivare acque dal lago verso la bonifica attraverso l utilizzo di caterattini. Avendo quantificato un totale delle derivazioni irrigue dal Canale Barra-Barretta pari a circa 275 l/s, basandosi sulla attuale concessione irrigua, dalla Fossa Nuova non dovrebbero essere derivati più di 50 l/s. In totale è 29

32 immesso nel periodo luglio-agosto nella bonifica di Massaciuccoli, dalla Fossa Nuova e dal Canale Barra-Barretta, un volume compreso tra m3 e m3. Fig Curve dei volumi cumulati derivati dalla chiusa CH1 per il periodo 1 luglio - 31 agosto In blu è rappresentata la cumulata stimata; il rosso la curva cumulata considerando una portata costante pari a 200 l/s; in verde la curva cumulata considerando a luglio una portata costante pari a 200 l/s e ad agosto pari a 100 l/s. Fig Affioramento della superficie piezometrica dal rilievo carbonatico sul fondo della Fossa Nuova (Giugno 2009). 30

33 A.2.3 Il campo di moto delle acque sotterranee Per comprendere il trasporto di sostanze in un sistema in cui si ha una relazione diretta tra le acque sotterranee e le acque superficiali è stato necessario investigare l andamento del campo di moto delle acque sotterranee nell acquifero superficiale (cfr. Cap. 3.1 della Relazione finale). Nel dominio investigato, grazie all analisi di numerosi sondaggi e stratigrafie, è stato possibile individuare due livelli acquiferi definiti da una falda superficiale (oggetto del presente studio) ed una falda confinata multistrato. Il primo dei due acquiferi è suddivisibile, effettuando semplificazioni della stratigrafia, in sub-unità idrostratigrafiche definite da un livello superficiale di torbe e argille torbose con spessore massimo di circa 10 m nel depocentro del bacino, passante verso sud ad un livello costituito da limi argillosi e sabbiosi (Fig. 14). Questi ultimi nel sottosuolo si ritrovano in eteropia con sabbie silicee di spessore massimo fino a m. Il limite inferiore di questo acquifero è costituito da un substrato argilloso. Alcune prove di portata eseguite su pozzi nel dominio di studio mostrano per l acquifero trasmissività medio-alte nella zona della bonifica di Vecchiano che vanno progressivamente a diminuire verso Nodica, dove i valori di conducibilità idraulica stimati sono in accordo con quelli dei sondaggi effettuati per la realizzazione della stazione di servizio autostradale (compresi tra 10-6 e 10-7 m/s). Attraverso il rilevamento idrogeologico si sono quindi raccolti i dati di soggiacemza con i quali (unitamente ai dati del battente del Lago di Massaciuccoli e del Fiume Serchio e del livello del medio mare) si sono prodotte le carte piezometriche presentate in Fig. 15, 16e 17 ottenute per mezzo di interpolazione con il metodo Kriging dei dati rilevati. Ovviamente nell area di bonifica l abbondanza di acque superficiali comporta un ridotto utilizzo delle acque sotterranee per usi irrigui ed un conseguente basso numero di punti disponibili per il monitoraggio della soggiacenza. Si sono quindi inseriti alcuni punti fittizi: a) in prossimità dei principali impianti idrovori; b) a rappresentare i canali di acque alte in connessione idraulica diretta con il Lago di Massaciuccoli; c) nella bonifica dove la tavola d acqua si ipotizza ad 1.5 m dal piano di campagna. La descrizione del campo di moto così ottenuta concorda in linea generale con quelle già discusse nel Cap. 2.4 della Relazione finale presentando un alto freatimetrico in corrispondenza della fascia costituita dai cordoni dunari sabbiosi, due bassi localizzati rispettivamente in corrispondenza del depocentro della bonifica di Vecchiano e di Massaciuccoli. Mette inoltre in evidenza il limite di ricarica costituito dal Lago di Massaciuccoli. La scarsità di punti disponibili utilizzati per l interpolazione non permette comunque di rappresentare le relazioni esistenti tra il reticolo delle acque superficiali e le acque della falda. Dato il numero di canali di bonifica presenti il problema non è comunque risolvibile anche attrezzando un congruo numero di piezometri. Per tale motivo si è quindi implementato un modello numerico del flusso delle acque sotterranee. 31

34 C D Legenda m Argille torbose Torbe Limi argilloso sabbiosi Sabbie e sabbie limose Argille Ghiaie Depositi di conoide Scaglia toscana Sondaggi Faglie Fig Sezione idrostratigrafica attraverso il bacino del Lago di Massaciuccoli (la traccia della sezione è riportata in Fig. 2.6; da Cannavò, 2009 modificato). 32

35 Fig Campo di moto delle acque sotterranee rilevato nel mese di luglio Fig Andamento della superficie piezometrica relativo al mese di Ottobre

36 Fig. 17 Andamento della superficie piezometrica relativo al mese di Agosto In Fig. 18 è rappresentata la differenza tra i carichi idraulici rilevati in alcuni pozzi nel luglio 2008 (inizio della stagione di magra) e quelli rilevati a fine ottobre 2009 (inizio della stagione di ricarica). Questa differenza esprime l escursione della superficie piezometrica nella stagione estiva. Come è possibile osservare il maggior numero di punti (9) presenta un escursione compresa tra 1m ed 1.5 m, con 5 punti che hanno escursione variabile tra 1.5 m e 2 m, mentre i restanti 4 punti considerati presentano variazioni minori o maggiori. Fig. 18. Valori del carico idraulico rilevato nei mesi di luglio e ottobre 2008 con relative differenze. In alto a sinistra: grafico delle frequenze del valore di abbassamento (da Cannavò, 2009). 34

37 A.2.4 Il modello concettuale idrologico Sulla base dei risultati del rilevamento idrologico ed idrogeologico sopra esposto si è definito il modello concettuale idrologico del sistema naturale studiato (Fig.18). Questo è un elaborato di sintesi che permette di schematizzare il funzionamento idrologico/idrogeologico del sistema, nel quale sono esplicitati qualitativamente, per ciascun sottobacino, i termini del bilancio idrico, ovvero gli afflussi ed i deflussi, o limiti idrodinamici. Se le precipitazioni meteoriche (P) costituiscono ovviamente l apporto principale, in generale il dominio investigato presenta da Ovest verso Est, in senso orario, importanti limiti di ricarica sotterranea costituiti da: - filtrazione di acque sotterranee dall acquifero sito nella duna costiera verso la bonifica di Vecchiano (Gw duna-in ) o ad impedire la salinizzazione dell acquifero sul lato mare (Gw duna-out ); - filtrazione di acque sotterranee dal lago (Gw lago ), pensile ed arginato, sia verso la bonifica di Vecchiano sia verso la bonifica del Massaciuccoli Pisano; - filtrazione di acque sotterranee dai rilievi dei Monti d Oltre Serchio (Gw rilievi ; in parte drenate dai canali di gronda Fossa Nuova e Allacciante di Vecchiano) verso l area a scolo naturale e la bonifica del Massaciuccoli Pisano. Questi limiti ricaricando l acquifero superficiale forniscono importanti volumi di acqua che, una volta drenati dal reticolo di acque basse, vengono poi convogliati alle idrovore, dando ragione dei volumi pompati nel lago anche durante i periodi di assenza di precipitazioni. Anche le acque sotterranee del sottobacino a scolo naturale (Gw asn ) passano in parte nel sottobacino di Vecchiano ed in parte nel sottobacino del Massaciuccoli Pisano, indicando non coincidenza tra limiti idrologici ed idrogeologici di questi bacini, mentre il Fiume Serchio costituisce un limite di ricarica/recapito variabile nel tempo (Gw Serchio-in e Gw Serchio-out ), nei diversi tratti dell asta fluviale, in dipendenza delle relazioni tra battente e carico idraulico delle acque sotterranee. Seppure quantitativamente poco rilevante ai fini del bilancio, la ricarica dell acquifero superficiale legata alla filtrazione attraverso il letto del Canale Barra-Barretta, il cui battente idraulico è per larga parte del suo percorso sopra il piano di campagna, permette scambi limitati tra il sottobacino di Vecchiano e quello del Massaciuccoli Pisano. Anche la Fossa Nuova, nel tratto in cui scorre arginata sopra il piano di campagna va a ricaricare (Gw Fossa Nuova ), attraverso il subalveo, l acquifero superficiale. Attraverso il Canale Barra-Barretta (Ir Barra ) e la Fossa Nuova (Ir Fossa Nuova ) si ha inoltre ricarica irrigua nel periodo estivo verso i sottobacini di Vecchiano e del Massaciuccoli Pisano. Afflussi costanti al sistema sono costituiti dai depuratori di Vecchiano (Sw DEP-Vecchiano ) e Migliarino (Sw DEP-Migliarino ). Per quanto riguarda le uscite dal sistema, i termini da considerare corrispondono esclusivamente all evapotraspirazione (Etr), ai volumi pompati dalle idrovore nel lago (Qtot idrovore ), ed alle acque conferite al lago dal Canale Barra-Barretta (Sw Barra ). Il bilancio risulterà pertanto verificato dall eguaglianza delle entrate con le uscite, oppure da una diminuzione o aumento dell immagazzinamento (S in /S out ). La Fig. 20 presenta il modello concettuale per la bonifica di Vecchiano, mentre la Fig. 21 quello per la bonifica di Massaciuccoli (le denominazioni degli afflussi e dei deflussi sono le stesse utilizzate in Fig. 19). I termini così individuati sono stati stimati per mezzo di analisi idrologiche e di un modello numerico del flusso delle acque sotterranee per quantificare il bilancio idrico per ciascun sottobacino ed i corrispondenti volumi di acqua pompati dalle idrovore di Vecchiano e di Massaciuccoli e dall area a scolo naturale nel lago nel periodo investigato, come descritto nei successivi capitoli del presente Allegato. 35

38 GwLAGO GwLAGO QTOT (IDROVORE) IrFOSSA NUOVA SwBARRA GwRILIEVI SIN S OUT IRBARRA GwDUNA - OUT GwDUNA - IN Etr P GwASN SwDEP.-Vecchiano GwSERCHIO - OUT SWDEP.-Migliarino SwSERCHIO GwSERCHIO - IN Fig Rappresentazione in pianta del modello concettuale idrologico. 36

39 GwLAGO GWLAGO Qtot (IDV) QTOT (IDROVORE) IrBARRA GwMASSACIUCCOLI Etr P GwBARRA GwDUNA S IN S OUT GwASC SwDEPURATORE GwSERCHIO-OUT GwSERCHIO-IN Fig Modello concettuale idrologico della bonifica di Vecchiano. 37

40 S IN S OUT IrFOSSA NUOVA GwLAGO GwRILIEVI Qtot (IDROVORE) Etr P GwVECCHIANO - IN IRBARRA GwASN - IN Fig Modello concettuale idrologico della bonifica del Massaciuccoli Pisano. 38

41 A.2.5 Il modello numerico del flusso delle acque sotterranee del settore meridionale del bacino del Lago di Massaciuccoli La comprensione dei processi di interazione tra le due componenti del ciclo idrologico, acque superficiali ed acque sotterranee, è fondamentale per la efficace e sostenibile gestione delle risorse idriche, in particolare in aree caratterizzate da idroesigenze superiori alle disponibilità e, di conseguenza, più vulnerabili rispetto agli impatti di azioni antropiche o di eventuali cambiamenti climatici. I codici di simulazione numerica, opportunamente affiancati ad adeguati strumenti di monitoraggio e piattaforme di rappresentazione GIS, consentono oggi di supportare adeguatamente tutte le fasi di analisi e pianificazione nel campo delle risorse idriche, sia da un punto di vista quantitativo sia qualitativo. Poiché il sistema in analisi è costituito dalla presenza di una falda superficiale e di una fitta rete di dreni in connessione idraulica diretta, come verificato durante il rilevamento idrogeologico, si è implementato un modello numerico del flusso utilizzando il codice numerico MODFLOW-2000 (Harbaugh et al., 2000) per giungere ad una migliore comprensione dell andamento del campo di moto delle acque sotterranee nel tempo, definire i bilanci idrici delle bonifiche e stimare i volumi del deflusso di base conferiti al lago dalle idrovore di Vecchiano e di Massaciuccoli e dall area a scolo naturale. I modelli matematici idrogeologici, ad oggi, rappresentano gli strumenti più idonei alla descrizione dell evoluzione spaziale e temporale di fenomeni fisici complessi come il flusso idrico sotterraneo ed il trasporto di contaminanti all interno delle falde acquifere. Tali modelli simulano indirettamente il flusso idrico all interno dell acquifero e le sue relazioni di causaeffetto mediante la risoluzione di un set di equazioni differenziali di governo associate a specifiche condizioni al contorno. La soluzione delle equazioni consiste nella distribuzione della funzione sconosciuta (altezza piezometrica, concentrazione, temperatura, etc.) nello spazio (soluzione in regime stazionario) e/o nel tempo (soluzione in regime transitorio). Il grado di incertezza delle soluzioni fornite dipende dalla quantità dei dati disponibili, dal grado di conoscenza del sistema, ed inoltre dalle semplificazioni nella soluzione dell equazione di flusso che il codice di calcolo utilizza. La formulazione del modello matematico è basato sulla legge di conservazione della massa e dell energia (legge di continuità) e sull equazione di moto delle acque sotterranee (legge di Darcy). In un mezzo anisotropo, con le componenti dei principali assi di anisotropia disposte lungo gli assi di riferimento cartesiani, l equazione di governo è: δ δh δ δh δ δh δh K x + K y + K z = S s + W δx δx δy δy δz δz δt Dove: K i = conducibilità idraulica del mezzo lungo le direzioni x, y e z. [LT -1 ] S s = coefficiente d immagazzinamento specifico [L -1 ] W = flusso per unità di volume rappresentante sorgenti o perdite d acqua [T -1 ] t = tempo[t] h = carico idraulico[l] Le equazioni alle differenze parziali che descrivono il sistema idrogeologico sono di difficile soluzione utilizzando metodi analitici, per cui vengono impiegati metodi numerici, come ad esempio lo schema di soluzione alle differenze finite. Partendo dal modello concettuale idrologico/idrogeologico si sono svolte le seguenti fasi per l implementazione del modello numerico: - ricostruzione della geometria dell acquifero superficiale; - definizione dei parametri idrodinamici; - definizione delle condizioni al contorno; - definizione delle condizioni iniziali. La geometria dell acquifero superficiale è stata ricostruita discretizzando orizzontalmente il dominio di studio in celle di dimensione 25mx25m e verticalmente in tre 39

42 strati, di cui il primo a rappresentare la copertura costituita dalle torbe e torbe argillose e gli altri due strati l acquifero presente nelle sabbie silicee (Fig. 22). L iniziale assegnazione dei parametri idrodinamici (conducibilità idraulica, K, e immagazzinamento, S) è stata effettuata utilizzando ove possibile dati derivanti da indagini svolte localmente, altrimenti reperendo dati di letteratura. Tali valori sono stati variati nel corso del processo di calibrazione. Per le singole unità idrostratigrafiche si è posta K x uguale a K y ed inizialmente K z pari ad un decimo di K x. Per quanto riguarda le condizioni al contorno, i limiti definiti dal Lago di Massaciuccoli, dal Fiume Serchio e dal Mare Ligure sono stati implementati utilizzando una condizione a carico costante variabile nel tempo; l influenza di tale condizione sulla soluzione è stata valutata durante l analisi di sensibilità e giudicata limitata all intorno spaziale della frontiera stessa. La ricarica areale è stata attribuita utilizzando il Recharge package, mentre la ricarica dai rilievi è stata simulata utilizzando sia il Recharge package sul primo layer sia attraverso l inserimento di pozzi (Well package) nei layer 2 e 3. Di notevole importanza è stata la definizione del reticolo di drenaggio, simulato utilizzando il Drain package, la cui funzione è quella di rimuovere dal sistema le acque sotterranee il cui livello supera un altezza specificata dall utente relativa al fondo del dreno. La ricarica irrigua nella bonifica di Vecchiano è stata invece simulata utilizzando il River package, si da permettere il funzionamento dei canali sia in fase di ricarica sia in fase di drenaggio. La ricarica di subalveo e irrigua dovuta alla Fossa Nuova è stata implementata utilizzando il Well package. Una condizione a flusso nullo limita alla base del sistema acquifero. Come condizioni iniziali sono state poste le piezometrie rilevate nei primi giorni di Luglio 2008 e nella implementazione del modello sono state effettuate le seguenti assunzioni: - non sono stati rappresentati i pozzi di prelievo delle acque sotterranee per usi domestici, in quanto le portate emunte sono considerate esigue ed ininfluenti ai fini del bilancio idrologico(come anche in Aut. Bac. del Fiume Serchio, 2007); - nella definizione del termine di ricarica alla base dei rilievi carbonatici viene considerata la presenza del campo pozzi di Vecchiano e del campo pozzi del Paduletto, per mezzo dei quali si emunge acqua dal sistema acquifero carbonatico dei Monti d Oltre Serchio; - il canale Barra-Barretta è considerato perdente verso l acquifero nel tratto in cui è pensile: tale effetto è stato simulato assegnando una serie di pozzi alle celle che rappresentano il canale. Una volta implementato, il modello è stato fatto girare in stato transitorio per il periodo relativo al Luglio Dicembre La durata media degli stress period è di 15 giorni, suddivisi dai 2 ai 3 time step per cui si dispone di soluzioni ad intervalli temporali variabili tra i 5 ed i 7.5 giorni. La validazione è stata effettuata per mezzo sia di metodi automatici sia del tradizionale trial and error, utilizzando i data set disponibili relativi alle piezometrie ed alle osservazioni e misure puntuali compiute nei diversi mesi sui deflussi di base del reticolo di drenaggio. Il modello è stato giudicato calibrato quando, oltre a soddisfare le condizioni legate ai deflussi di base, mostrava per i carichi idraulici un valore ARM pari 0.33 ed un rapporto tra la deviazione standard dei residui e la loro variazione pari al 9.6%. In Fig. 23 è riportato il grafico dei valori osservati vs. quelli calcolati del carico idraulico nell intero intervallo temporale simulato. La qualità della calibrazione può essere valutata osservando l andamento del carico idraulico nel tempo ai punti di osservazione di Fig. 24 relativi ai tre diversi sottobacini. Il modello così implementato ha permesso di valutare l andamento del campo di moto delle acque sotterranee e di ottenerne una migliore rappresentazione rispetto a quella derivata da interpolazione di dati puntuali rilevati. In Fig. 25 è riportato l andamento della superficie piezometrica simulata nel mese di Luglio 2008: confrontando tale Figura con la Figura 15 si può apprezzare la complessità del campo di moto delle acque sotterranee nel dominio investigato. In Fig. 26 è invece presentato l andamento della superficie piezometrica simulata alla fine del periodo di magra nel mese di Settembre 2008: si può osservare come l alto piezometrico nella duna costiera ha subito un abbassamento di circa 1 m, mentre nell area meridionale il Fiume 40

43 Serchio dreni la falda. Si può inoltre rilevare come il reticolo di drenaggio essendo a quote superiori rispetto all andamento della superficie piezometrica sia in larga parte del dominio disconnesso dalla piezometrico, come effettivamente osservato durante le attività di campagna. La Fig. 27 mostra invece il campo di moto nella primavera del 2009 nel momento della ricarica: in tale periodo la complessità del campo di moto è massima essendo massima la funzionalità di drenaggio delle acque sotterranee del reticolo di acque basse delle bonifiche. Infine, si sono quantificati i termini relativi alle acque sotterranee per la definizione dei bilanci idrici delle bonifiche di Vecchiano e di Massaciuccoli. A B Fig. 22 A) Dominio di studio investigato e parametrizzazione relativa alla conducibilità idraulica nel layer 1 (la linea rossa indica la traccia della sezione); B) Sezione attraverso il modello numerico. 41

44 Observed vs. Computed Target Values Layer 1 Layer 2 Layer 3 Model Value Observed Value Fig. 23 Scatter plot dei valori osservati vs. i valori simulati del carico idraulico Costanza-Pz2 Observed Observed Computed Computed Head -2.5 Head Time Time Observed Computed Head Time Fig. 24 Piezometrie simulate ed osservate ai punti di osservazione Costanza-Pz2 (bonifica di Vecchiano), 203 (area a scolo naturale) e 283 (bonifica di Massaciuccoli). I valori osservati tra il tempo 200 ed il tempo 250 al punto Costanza Pz2 sono relativi al piano campagna. Le linee rosse sono semplici congiungenti dei punti di osservazione e quindi prive di significato fisico. 42

45 Fig. 25 Andamento della superficie piezometrica nel mese di Luglio 2008 (linee equipotenziali in m). Fig. 26 Andamento della superficie piezometrica nel Settembre 2008 (linee equipotenziali in m). 43

46 Fig. 27 Andamento della superficie piezometrica nella primavera del 2009 (linee equipotenziali in m). 44

47 A.2.6 Analisi idrologica dei sottobacini chiusi alle sezioni AS1, AS8, AS14, AS16 Come descritto nel Capitolo 3.1 della Relazione finale si sono caratterizzati dal punto di vista idrologico, per il periodo Luglio 2008-Giugno 2009, quattro porzioni rappresentative dei sottobacini dell area meridionale del lago: i bacini AS1 e AS14 per la bonifica di Vecchiano, il bacino AS8 per la bonifica del Massaciuccoli Pisano ed il bacino AS16 per l area a scolo naturale. Utilizzando il metodo Curve Number (CN; SCS, 1972), validato per mezzo di semplici relazioni analitiche tra le precipitazioni e le portate misurate durante le attività di rilevamento idrologico (sì da avere informazioni sul deflusso di base), si è determinato il ruscellamento superficiale defluito nel periodo investigato alla chiusura delle porzioni dei sottobacini. I valori calcolati si sono considerati attendibili quando la differenza tra la stima ottenuta con il metodo CN e quella ottenuta basandosi sulle misure effettuate è inferiore del 15% al deflusso determinato con il CN. In questo modo si è ottenuta anche una prima stima del deflusso di base, stima successivamente validata attraverso i valori ottenuti per mezzo del modello numerico del flusso (cfr. A.2.5). Una volta calcolato il ruscellamento superficiale (Q RS)nei diversi mesi per le diverse porzioni dei sottobacini si è anche determinato il coefficiente di deflusso superficiale mensile definito come il rapporto tra il ruscellamento superficiale e l afflusso lordo al bacino. Il coefficiente di deflusso definito a scala mensile per il bacino chiuso alla sezione AS16 è presentato in Tab. 3. Poiché le porzioni scelte, sono rappresentative dei sottobacini di bonifica e dell area a scolo naturale per tipologia di suoli e uso del suolo, questi coefficienti sono stati utilizzati per determinare il ruscellamento superficiale nei diversi mesi nell intervallo temporale studiato per i sottobacini di bonifica e l area a scolo naturale Mese 45 Coefficiente di deflusso Bacino AS16 Luglio 0 Agosto 0 Settembre 0.16 Ottobre 0.26 Novembre 0.30 Dicembre 0.20 Gennaio 0.25 Febbraio 0.22 Marzo 0.24 Aprile 0.15 Maggio 0 Giugno 0.16 Luglio 0 Agosto 0 Settembre 0.30 Ottobre 0.13 Tab. 3 Valori del coefficiente di deflusso superficiale per il bacino chiuso alla sezione AS16. Per i sottobacini chiusi alle sezioni AS1, AS8 e AS14 sono stati derivati dal modello numerico del flusso, a cadenza mensile, i valori del deflusso di base, ovvero il volume mensile drenato dalle acque sotterranee (Q DB). La somma del ruscellamento superficiale con il deflusso

48 di base costituisce il deflusso totale attraverso la sezione investigata (Qtot). Nelle Fig. 28, 29 e 30 sono presentati i risultati di tale analisi. Dai valori ottenuti emerge chiaramente per i tre domini investigati l importanza del deflusso di base nella formazione del deflusso totale. In generale i valori del coefficiente di deflusso indicano una generazione di ruscellamento superficiale maggiore alla sezione AS16 rispetto agli altri domini considerati. Il termine legato al ruscellamento superficiale è comparabile a quello legato al deflusso di base nei mesi di ottobre novembre per poi divenire anche un ordine di grandezza inferiore. L importanza di un notevole contributo al deflusso totale costituito dal deflusso di base è legata all esistenza dell esteso reticolo di acque basse: tale componente infatti è continua anche nei momenti di assenza delle precipitazioni sia per effetto della ricarica meteorica sia per la presenza di importanti limiti di ricarica sotterranei. 46

49 Uso-suolo Area m2 % Mais* Frumento Tot Bacino AS1 A *include aree antropizzate di circa m 2, pari al 4% dell area totale Area = m 2 B Mesi Precipitazione Deflusso totale (Q tot) Deflusso di base (Q DB) Ruscellamento superficiale (Q RS) Q RS/Q tot Coefficiente di m3/mese m3/mese m3/mese m3/mese (%) deflusso 2008 Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Totale m3/anno Deflussi (m3/mese) Q tot Q DB Q RS Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno B Periodo (mesi) Fig. 28 A) Uso del suolo nel bacino AS1; B-B ) Andamento dei deflussi nel tempo alla sezione di chiusura del bacino AS1. 47

50 Bacino AS8 Area = m 2 A Uso-suolo Area m2 % mais frumento girasole prato-incolto-erba medica-sorgo-imperm-bosco tot B Mesi Precipitazione Deflusso totale (Q tot) Deflusso di base (Q DB) Ruscellamento superficiale (Q RS) Q RS/Q tot Coefficiente di m3/mese m3/mese m3/mese m3/mese (%) deflusso 2008 Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Totale m3/anno Deflussi (m3/mese) Q tot Q DB Q RS Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno B Periodo (mesi) Fig. 29 A) Uso del suolo nel bacino AS8; B-B ) Andamento dei deflussi nel tempo alla sezione di chiusura del bacino AS8. 48

51 Bacino AS14 Area = m 2 A Uso-suolo Area m2 % mais - girasole - canapa bosco - pioppeti - frutteti Impermeabile - edificato - serre prato - incolto frumento TOT B Mesi Precipitazione Deflusso totale (Q tot) Deflusso di base (Q DB) Ruscellamento superficiale (Q RS) Q RS/Q tot Coefficiente di m3/mese m3/mese m3/mese m3/mese (%) deflusso 2008 Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Totale m3/anno Deflussi (m3/mese) Q tot Q DB Q RS Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno B Periodo (mesi) Fig. 30 A) Uso del suolo nel bacino AS14; B-B ) Andamento dei deflussi nel tempo alla sezione di chiusura del bacino AS14. 49

52 A.2.7 I termini utilizzati per la definizione del bilancio idrico del lago nel periodo estivo In questo Capitolo si presentano i termini utilizzati per la definizione del bilancio idrico del lago nel periodo estivo relativo all intervallo temporale Per periodo estivo si intende il periodo compreso tra il momento in cui il battente del lago si trova al livello 0 m s.l.m. ed il momento in cui esso raggiunge il minimo assoluto annuale (generalmente alla metà di settembre). Nell intervallo considerato, tale periodo varia dai 143 giorni del 2003 (allorquando fu raggiunto il livello di m s.l.m.) ai 65 giorni del 2008 (con un minimo pari a m s.l.m.) con valore medio pari a 99 giorni e minimo livello raggiunto medio pari a m s.l.m. Il bilancio è riferito alla superficie lacustre e la superficie palustre contigua (ricoperta di vegetazione) per un totale di m 2 (ripartiti in m2 di superfici di acqua libera e m2 di superficie palustre). Lo schema concettuale su cui è basata la presente stima è presentato in Fig. 30. Di seguito si esplicitano i valori dei termini utilizzati per la definizione del bilancio. Circa gli apporti (A), nel periodo considerato le precipitazioni estive (P) variano da un massimo di mm registrato nel 2005 ad un minimo di mm relativo al 2009, con un valore medio pari a mm. Quest ultimo è stato utilizzato come termine del bilancio ragguagliato sull area del bacino lacustre e quindi posto pari a m 3 /s. Dai rilievi ad est del lago si ha sia una ricarica naturale derivante dall ingresso di acque superficiali (ad es. dal Rio delle Tre Gore) sia all ingresso di acque sotterranee: questo termine di ricarica (Ric ril ) è stato valutato in m 3 /s sulla base di osservazioni dirette e di considerazioni di carattere idrogeologico. Scendendo il lago sotto il livello del medio mare si ha ingressione di acque dal Canale Burlamacca, sulla base di considerazioni sui rapporti tra i livelli del lago e del Canale Burlamacca, sul funzionamento delle Porte Vinciane e su osservazioni dirette, questo termine è stato posto a m 3 /s. La presenza o meno di questo termine è stata comunque affrontata sviluppando due scenari (CASO 1 e CASO 2). Oltre agli apporti di origine naturale, dalle bonifiche vengono sollevati quantitativi di acqua anche durante il periodo estivo. Sulla base del modello numerico si sono stimati gli apporti dal settore meridionale nel periodo estivo 2008 ed in quello del 2009 in un valore medio pari a m 3 /s. dall analisi dei dati riportati in Franceschi (1997) si ricava invece un valore medio per un periodo di otto anni pari a m 3 /s. Confermata la coerenza tra l ordine di grandezza dei due dati si è preferito prendere in considerazione il dato derivato da Franceschi. Questo anche relativamente al fatto che, non avendo a disposizione dati per le bonifiche a nord, per queste ultime si è dovuto utilizzare il dato derivato da Franceschi (1997) pari a m 3 /s. Il primo termine relativo alle uscite (B), l evaporazione dallo specchio lacustre (Ev), è stato quantificato utilizzando i dati ARSIA riportati in Aut. di Bacino del Fiume Serchio (2007) e posto pari a m 3 /s (ovvero pari a m/giorno). Il termine legato all evapotraspirazione (Etr) dalla vegetazione palustre è stato posto pari ad un valore medio di m 3 /s stimando un valore di evapotraspirazione potenziale medio per il periodo estivo e moltiplicandolo per un valore medio del Kc tipico per vegetazione palustre. Il termine filtrazione di acqua del lago verso l acquifero superficiale nelle aree di bonifica a sud (Gw sud ) è stato determinato quale media dei valori estivi del 2008 e 2009 calcolati per mezzo del modello numerico del flusso in m 3 /s. Il termine di filtrazione verso l acquifero delle bonifiche a nord (Gw nord )è stato determinato stimando una relazione lineare basata sulla estensione dei rilevati arginali a sud ed a nord ed è quantificato in m 3 /s. E da rilevare che per i due termini appena descritti non esistono valori di letteratura. Poiché le uscite per derivazioni irrigue (Ir) possono variare in dipendenza del battente idraulico del lago e della presenza della derivazione attiva dal Fiume Serchio (a parità di apertura delle cateratte), si sono utilizzati due valori, derivati dalla analisi riportata nel Capitolo 2 della Relazione finale e nel Capitolo A.2.2 del presente Allegato, definiti in m 3 /s e m 3 /s. 50

53 Nord SwBurlamacca Etr P Ev Sud Ir RicRil Idrovnord Δh rispetto allo 0 Idrovsud Gwnord Gwsud Figura 31 - Modello concettuale utilizzato per la valutazione del bilancio idrico del Lago di Massaciuccoli nel periodo estivo. 51

54 ALLEGATO 3 Questionario 2009 Data...Azienda Proprietario ;Tenuta... Indirizzo tel...; Forma giuridica: società di persone ; società di capitali ; ente pubblico ; cooperativa ditta individuale altra (specificare).....; Conduzione: coltivatore diretto ; a salariati ; altra (specificare).....; Possesso: proprietà ; affitto ; usufrutto ; comodato agriturismo ; Gestione: convenzionale ; low-input ; biologica ; integrata ; conservativa ; altro (specificare).. ; SA ha..; SAU ha..; numero corpi fondiari.; associazione di categoria..; Nome capo-azienda......; età.; titolo di studio..... ; sesso.; Personale aziendale fisso: operai n....; t ecnici n......; impiegati n......; dirigenti n.....; Manodopera avventizia: totale ore n...; totale giornate n...; totale avventiz i n.....; Anno acquisizione dell azienda..; modalità..; nomi precedenti proprietari ; Macchine: motocoltivatori n...; 2RM n...; 4RM n...; cingolate n... potenza totale CV...; Contoterzismo richiesto: lav. princ. (ha)...; lav. sec. (ha)...; raccolta (ha)...; trattamenti (ha)...; altro..; Sup. irrigua ha....; a pioggia ha...; a goccia ha.....; sub-irrigazione ha...; fissi ha.....; mobili ha. ; Approvvigionamento: pozzi ha.. ; canali ha....; Bovini n...; ovini n...; caprini n...; suini n...; equini n... ; avicoli n...; 52

55 1. Coltura superficie ha raccolto 1 o 2 produzione utile (t/ha) lavorazione principale ettari irrigati Coltura concimaz. 1 (dose, tipo, epoca) 1. concimaz. 2 (dose, tipo, epoca) concimaz. 3 (dose, tipo, epoca) concimaz. 4 (dose, tipo, epoca) concimaz. 5 (dose, tipo, epoca) Avvicendamento 1: ha...; /....../....../....../ /......; Avvicendamento 2: ha...; /....../....../....../ /.....; Avvicendamento 3: ha...; /...../....../..../ /...; 53

56 Piani dell agricoltore per un futuro sviluppo dell azienda: cambiamento dell ordinamento produttivo...; cambiamento dell ordinamento colturale...; incremento patrimonio immobiliare...; modifiche al parco macchine...; acquisto nuova terra...; affitto nuova terra...; > o < ricorso al contoterzismo...; introduzione o modifiche all allevamento...; Quali finalità attribuisce al Parco nei confronti delle attività agricole? 1. formulare piani di gestione.....; 2. approvare piani aziendali...; 3. regolamentare la caccia...; 4. risarcire i danni dei selvatici...; 5. mantenere inalterate le caratteristiche del territorio...; 6. promuovere un agricoltura più sostenibile...; 7. incoraggiare attività agricole non convenzionali? (agriturismo, acquacoltura, ecc.)...; Critiche al Parco. Conseguenze derivanti dalla presenza del Parco..... delusioni...; vantaggi...; 54

57 ALLEGATO 4 APPLICAZIONE PER LA STIMA DELL EVAPOTRASPIRAZIONE EFFETTIVA DELLE COLTURE L applicazione realizzata si propone la stima dei consumi idrici delle colture attraverso l integrazioni di più moduli finalizzati alla quantificazione dei diversi termini del bilancio: contenuto idrico del suolo nello strato esplorato dalle radici, evapotraspirazione potenziale e massima della coltura (ETP ed ETM), calcolo delle somme termiche della coltura considerata, accrescimento radicale, acqua disponibile per la coltura, evapotraspirazione effettiva (ETE), ricorso all irrigazione, contributo della falda. Il modello non simula la crescita reale della coltura, né considera eventuali fattori di stress che possano deprimere i processi fisiologici della pianta. L evapotraspirazione effettiva così stimata rappresenta i consumi di una coltura coltivata secondo le buone pratiche agricole, in buone condizioni fitosanitarie e che risentita degli eventuali stress idrici solo intermini di rifornimento di acqua e non in termini di perdita di funzionalità. Gli input necessari al funzionamento dell applicazione sono i dati giornalieri di tipo meteorologico e i parametri relativi alla coltura, alle caratteristiche del suolo e al management aziendale. A questo riguardo si è quindi provveduto ad un analisi delle serie dei dati climatici disponibili, provenienti dalla rete di monitoraggio agrometeorologico dell ARSIA e del Servizio Idrologico Regionale. In particolare, per quanto riguarda temperatura, radiazione globale, umidità relativa, velocità del vento (variabili necessarie al calcolo dell ETP), sono stati analizzati i dati delle stazioni di Metato e Lido di Camaiore (dell ARSIA), le uniche stazioni che rilevano tali parametri, e che posseggono serie storiche a partire dal 1990 sino ad oggi. Le stazioni citate si trovano rispettivamente a sud-est e a nord-ovest del bacino idrografico del lago. Per tutti i parametri è stata verificata l omogeneità tra le serie delle due stazioni, calcolando il coefficiente di correlazione R 2 e la retta di regressione lineare. Sono state considerate omogenee le serie con un R 2 > 0.7 e un coefficiente angolare della retta di regressione compreso tra 0.7 e 1.3, secondo il criterio adottato dalla FAO (Allen et al. 1998). I parametri che hanno soddisfatto tale criterio sono la temperatura minima (Tmin), la temperatura massima (Tmax) e la radiazione solare globale (Rs), con R 2 rispettivamente pari a 0.97, 0.97 e Si è quindi potuto concludere che, per quanto riguarda temperatura e radiazione, è sufficiente considerare solo una delle due stazioni presenti. La scelta è ricaduta sulla stazione di Metato che risulta la più vicina all area meridionale, oggetto dello studio di dettaglio. Utilizzando le rette di regressione tra le due stazioni, è stato inoltre possibile ricostruire anche i dati mancanti, consentendo di ricostituire serie complete per il periodo Per il calcolo dell ETP è stata utilizzata la formula empirica di di Hargreaves, modificata secondo Wu (1997), la cui principale differenza rispetto alla formula originale consiste nell utilizzo della radiazione solare globale misurata, in sostituzione della radiazione extratmosferica stimata, come risulta evidente dalla seguente equazione: ETP = (Tmed ) Rs [238,8 / ( Tmedia)] dove: Rs = radiazione solare globale in mm/d Tmed = temperatura media in C calcolata come (Tmax-Tmin)/2 La radiazione globale Rs rappresenta la frazione della radiazione extratmosferica Ra che raggiunge un piano orizzontale posto sulla superficie terrestre dopo aver subito i fenomeni di diffusione, assorbimento e riflessione dovuti al suo passaggio attraverso l atmosfera (Allen et al., 1998). 55

58 Questo metodo presenta, rispetto al più consolidato metodo FAO-Penman-Monteith, l indubbio vantaggio di necessitare soltanto tre parametri meteorologici (Tmax, Tmin e Rs), accorciando conseguentemente i tempi di calcolo. La bontà della stima fornita dall equazione di Hargraves modificata è stata verificata per la stazione di Metato calcolando l ETP con entrambe le formule per gli anni 2008 e 2009, ed ottenendo un coefficiente di correlazione r 2 paria a 0.99 (Figura 1) ETP Penman-M 5.00 ETP Heargr mod 4.00 mm/giorno /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/2006 Fig. 1 - Confronto tra i due metodi di stima dell ETP per la stazione di Metato relativamente all anno 2008 Per il calcolo dell ETM è stato utilizzato l approccio dei coefficienti colturali (kc), così come codificato dalla FAO (Allen et al., 1998), che definisce l ETM come il prodotto fra ETP e kc. Per la coltura di interesse il modello necessita come input di 3 kc: quello iniziale (kcini), quello corrispondente alla fase fenologica della piena maturazione (kcmid) e quello corrispondente alla fase di senescenza (kcend). Il modello crea poi una funzione giornaliera denominata kc che dipende delle somme termiche della coltura: la funzione kc assume il valore di kcini fino alla prima somma termica, dopo cresce linearmente fino a assumere, al raggiungimento della seconda somma termica, il valore massimo del kcmid, quindi rimane costante fino alla terza somma termica ed infine diminuisce linearmente fino al valore di kcend, che è raggiunto alla quarta somma termica (Figura 2). Le somme termiche (GDD) sono calcolate, per definizione, come sommatoria, durante l intero ciclo colturale (o su una determinata fenofase), delle unità termiche giornaliere (UTG) che, a loro volta, sono ricavate come segue: UTG = 0 se Tmed Tbase UTG = Tmed-Tbase se Tmed > Tbase e Tcutoff UTG = Tcutoff-Tbase se Tmed > Tcutoff dove: Tmed= temperatura massima giornaliera in C Tbase = temperatura base della coltura o cardinale termico inferiore in C Tcutoff = cardinale termico superiore in C 56

59 Il modello richiede, quindi, che siano noti i cardinali termici inferiore e superiore della coltura e le somme termiche che segnano la fine di ogni fase fenologica, quattro in tutto (UTG1, UTG2, UTG3, UTG4). Il calcolo dei GDD viene effettuato a partire dalla data di semina che è quindi un ulteriore parametro in ingrsso richiesto dal modello. kc gg dalla semina Fig. 2 Andamento della funzione kc nel modello per il mais Per quanto riguarda la crescita radicale si assumono due diversi livelli di profondità: quello raggiunto della maggior parte dell apparato radicale cioè quello in cui si concentra la maggioranza delle radici (rootdepth 1 ) e quello massimo raggiunto anche soltanto da un esiguo numero di radici (rootdepth 2 ). Entrambe le variabili assumono valori crescenti in proporzione lineare rispetto ai GDD fino al raggiungimento del 40% della somma termica dell intero ciclo colturale (UTG4), secondo la seguente equazione (Neitsch et al., 2005): rootdepth 1/2 (t) = 2.5 * frgdd(t) * rootd 1/2 dove: rootdepth 1/2 (t)= profondità della radice al tempo t in mm frgdd(t)= GDD/UTG4, frazione di UTG4 raggiunta al tempo (t) rootd 1/2 = profondità massima delle radici 1/2 in mm Superata tale soglia, la profondità della radice rimane costantemente uguale al valore di rootd. Dal valore assunto giornalmente dalla variabile rootdepth 1 dipende il calcolo dell acqua disponibile per la pianta (plantawc), mentre dal valore di rootdepth 2 dipende l eventuale approvvigionamento dalla falda superficiale. Il calcolo della riserva idrica nel suolo è stato implementato considerando il suolo come un serbatoio i cui livelli minimo e massimo sono rappresentati dai valori delle costanti idrologiche del terreno, rispettivamente dal punto di appassimento permanente e dalla capacità di campo. Queste sono state stimate ricorrendo ad una delle numerose funzioni empiriche di pedotransfer che utilizzano le caratteristiche tessiturali. Le equazioni di Huston si sono dimostrate, tra quelle valutate (Brakensiek-Rawls, Saxton), le migliori, cioè quelle in grado di fornire valori più prossimi alle poche misure disponibili. Le equazioni utilizzate per la stima dei parametri idrologici sono le seguenti: WP = exp[ *(clay+silt)^ * *(clay+silt)^3] 57

60 FC = exp[ *(clay+silt)^ *0.001*(clay+silt)^1.5] Porosità = (2.65-BD)/2.65 dove: WP = punto di appassimento in m 3 /m 3 FC = capacità di campo in m 3 /m 3 Porosity = capacità idrica massima m 3 /m 3 clay = contenuto in argilla in % silt = contenuto in limo in % BD= densità apparente Il calcolo delle costanti idrologiche è stato effettuato utilizzando un database georeferenziato contenente la caratterizzazione agronomica di un numero elevato (oltre 800) di campioni di suolo prelevati nel comprensorio di studio nell ambito di un precedente progetto di ricerca finanziato dalla provincia di Pisa. L assunzione che sta alla base dell utilizzo di questi dati è che il profilo di suolo considerato dal modello sia sostanzialmente omogeneo alle caratteristiche rilevate sperimentalmente nei primi 30 cm di terreno. Anche la densità apparente, che compare nel calcolo della capacità idrica massima, è stata derivata dalla tessitura, raggruppando i suoli secondo la classificazione USDA ed assegnando ai suoli di ciascuna classe una densità apparente media. Lo stesso procedimento è stato adottato anche per la conducibilità idraulica alla saturazione (ks), che risulta necessaria per il calcolo della percolazione (Tab.1). Classi di tessitura BD Ks (t/m 3 ) (mm/h) A argilloso AL argillo-limoso FA franco-argilloso FLA franco-limo-argilloso FL franco-limoso F franco SF sabbioso-franco S sabbioso Tab.1 - Densità apparente (BD) e conducibilità idraulica alla saturazione (ks) assegnati alle varie classi di tessitura Per i suoli con elevato contenuto in sostanza organica (SO > 5%), che sono ben rappresentati nel campione, tutti i parametri derivati vengono corretti dal modello come descritto in tabella 2. SO (%) BD t/m 3 CIM m 3 /m 3 Ks mm/h FC m 3 /m 3 WP m 3 /m BD - SO CIM + SO Ks - {Ks-[Ks/( SO /5)]} FC + SO WP + SO > Tab. 2 - Correzioni adottate per i suoli con elevato contenuto in sostanza organica Tra i parametri del suolo richiesti come input dal modello compare anche la soggiacenza, che è stata calcolata per ogni punto a partire dal raster della soggiacenza media simulata dal modello idrogeologico descritto in allegato 2 per il mese di luglio. Tale parametro definisce l entità del contributo della falda. Il bilancio idrico del terreno è calcolato dal modello considerando i seguenti termini: 58

61 SW t+1 - SW t = actualp t + Irr t -ETE t -Perc t dove: SW t+1 = contenuto di acqua nel suolo al tempo t+1 in mm SW t = contenuto di acqua nel suolo al tempo t in mm actualp t = precipitazione efficace al tempo t in mm Irr t = irrigazione al tempo t in mm ETE t = evapotraspirazione effettiva al tempo t in mm Perc t = percolazione al tempo t in mm La differenza SW t+1 - SW t rappresenta la variazione giornaliera di immagazzinamento di acqua nel suolo; come condizione iniziale la SW al tempo 0 è posta uguale alla capacità di campo. Il termine actualp rappresenta le precipitazioni utili, calcolate sottraendo alle precipitazioni il runoff. Quest ultimo è stimato attraverso il metodo empirico del Curve Number (CN) del Soil Conservation Service - USDA, che considera il deflusso superficiale come la differenza fra precipitazione e perdite, dove in queste ultime si inglobano oltre alle perdite per infiltrazione, anche quelle per intercettazione da parte delle piante, per accumulo sulle depressioni superficiali e per l imbibimento iniziale del terreno. Nel metodo del CN la precipitazione efficace è stimata come segue: actualp=(p-ia) 2 /(P-Ia+S) dove: P = precipitazione cumulata in mm actualp = precipitazione efficace in mm Ia = perdite iniziali in mm S = volume specifico di saturazione del terreno in mm Il volume specifico di saturazione S dipende a sua volta dalla natura del terreno e dall uso del suolo e può essere stimato a partire dall indice CN con la seguente relazione: dove: S 0 = 254 se in mm S = S 0 *(100/CN-1) Il CN è adimensionale ed è decrescente con la permeabilità, variando tra 0 nel caso di superficie totalmente permeabile e 100, per una superficie completamente impermeabile. Il CN risulta quindi dipendente dal tipo di suolo (gruppo idrologico), uso del suolo, umidità del suolo prima dell evento meteorico considerato e copertura del suolo. Il termine relativo all irrigazione (Irr) è stato aggiunto per tener conto del possibile contributo derivante dall acqua irrigua anche in considerazione dell incidenza che tale pratica riveste all interno del comprensorio. Data l impossibilità di ricostruire, azienda per azienda, la gestione dei sistemi irrigui (numero di interventi, turno, volumi di adacquamento), che spesso sono riportati con estrema approssimazione dall agricoltore, si è ritenuto opportuno fare riferimento alle buone pratiche agricole (riportare l umidità del terreno alla capacità di campo, intervenire all esaurimento della riserva idrica facilmente utilizzabile, ecc.). Il termine dell evapotraspirazione effettiva (ETE) dipende dall ETM, calcolata come descritto in precedenza, e da una variabile denominata plantawc (acqua disponibile per la coltura). Quest ultima, a sua volta, è dipendente dall acqua disponibile (AWC) e dalla profondità della radice al tempo t. Le due variabili sono calcolate come segue: 59

62 AWC(t)= SW(t)-WPmm se SW(t) WPmm AWC(t)= 0 se SW(t) < WPmm plantawc(t)= 0.4 AWClayer 1 (t)+0.3 AWClayer 2 (t)+0.2 AWClayer 3 (t)+0.1 AWClayer 4 (t) + contr_falda(t) dove: AWC(t) = acqua totale disponibile al tempo t in mm SW(t)= contenuto totale di acqua nel suolo in mm WPmm = contenuto di acqua nel suolo al punto di appassimento in mm plantawc(t) =acqua disponibile per la coltura al tempo t in mm AWClayer i (t) = acqua disponibile nello strato di terreno i al tempo t in mm contr_falda(t) = contributo della falda in mm Alla base del calcolo di plantawc sta l assunzione che le radici assorbano l acqua in maniera differenziata a seconda della profondità. Ciò in ragione del fatto che le radici si distribuiscono in maniera non omogenea lungo il profilo, esplorando dunque un diverso volume di suolo. Gli strati di terreno simulati dal modello sono 4, come illustrato in seguito. L equazione riportata sopra si riferisce alla variabile plantawc calcolata dal momento del raggiungimento del valore massimo di rootdepth 1 (profondità della maggior parte delle radici), prima di questo momento, gli strati di terreno su cui viene calcolata plantawc sono soltanto quelli interessati dalla profondità della maggior parte delle radici al tempo considerato. ETE quindi è calcolata dal modello come segue: ETE(t)=ETM(t) se ETM(t) plantawc(t) ETE(t) = plantawc(t) se ETM(t) > plantawc(t) dove : ETE(t) = evaportraspirazione effettiva al tempo t in mm ETM (t) = evapotraspirazione massima al tempo t in mm plantawc(t) =acqua disponibile per la coltura al tempo t in mm Come plantawc, ETE interessa soltanto gli strati esplorati dalla variabile rootdepth 1. Infine il termine relativo alla percolazione (Perc) rappresenta la quantità di acqua eccedente al tempo t rispetto alla capacità di campo che riesce a percolare attraverso il profilo del suolo; la percolazione è implementata dal modello attraverso una funzione di storage, che, a sua volta è modulato dal water travel time (il tempo di transito dell acqua lungo un profilo omogeneo di suolo), dipendente dalla ks e quindi dalle caratteristiche intrinseche del suolo. Dunque le equazioni utilizzate nel calcolo della percolazione sono le seguenti: Water_travel_time = (SATmm-FCmm)/ks Perc(t) = acquagrav(t)*(1-exp(-24/water_travel_time) dove: Water_travel_time = tempo di transito dell acqua lung oil profile in ore SATmm-FCmm = acqua in eccesso rispetto alla capacità di campo in mm Ks = conducibilità idraulica alla saturazione in mm/ora Acquagrav(t)= acqua in eccesso al tempo t pari a SWt-FC (se minore di satmm) in mm Il calcolo del bilancio idrico è effettuato dal modello ad ogni passo temporale su quattro strati diversi, profondi rispettivamente 1/7, 2/7, 2/7 e 2/7 del parametro rootd. Soltanto il primo strato è interessato dai termini di bilancio della pioggia efficace e dell irrigazione, mentre il termine della percolazione compare soltanto come uscita. Gli altri tre strati sono invece interessati dalla percolazione sia come entrata (dallo strato immediatamente superiore), sia come uscita (verso lo strato immediatamente inferiore). Il termine dell evapotraspirazione effettiva si 60

63 distribuisce invece su tutti e quattro gli strati in maniera differenziata (40% nel primo strato, 20% nel secondo, 20% nel terzo e 10% nel quarto), assumendo, anche in questo caso, una non omogenea distribuzione delle radici lungo il profilo da esse esplorato. Il contributo relativo alla falda superficiale non interviene nel calcolo del bilancio idrico del suolo, ma compare come termine additivo nel parametro che stima l acqua disponibile per la pianta (plantawc). In questo caso si è assunto che il contributo diminuisca proporzionalmente alla profondità della falda (determinata dal parametro soggiacenza) fino ad essere trascurabile oltre i 140 cm. Inoltre esso dipende dalla profondità massima delle radici, simulata dal parametro rootdepth 2, ovvero a condizione che rootdepth 2 soggiacenza. Il contributo della falda è stato distribuito uniformemente nel corso del ciclo colturale simulato, poiché si assume che questo intervenga a mitigare con regolarità lo stress idrico della pianta durante tutto il ciclo vegetativo, una volta che le radici abbiano raggiunto una profondità sufficiente. 61

64 ALLEGATO 5 MODELLI DI MESCOLAMENTO Di seguito è riportata la discussione sintetica relativa alle variazioni di composizione chimica rilevate nei canali. Mese per mese sono presi in considerazione i campioni contigui per i quali sono evidenti tali cambiamenti. In questi casi è possibile applicare semplici modelli di mescolamento, basati sulla conservazione di materia. I numeri e le sigle riportati sui grafici sono riferiti ai canali e la relazione tra identificativo del campione e numero è mostrata nella tabella seguente. Identificativo del campione Sigle riportate sui grafici FOSSO DELLE BUGIE (AS1) 1 DEPURATORE MIGLIARINO (AS2) 2 TRAVERSAGNA (AS3) 3 SEPARATORE-TRIGLIA (AS4) 4 DEPURATORE VECCHIANO (AS5) 5 GORELLO (AS6) 6 FOSSO REALE (AS7) 7 MASSACIUCCOLI COLLETTORE (AS8) 8 IDR.MASSACIUCCOLI IN (AS9) 9 BARRA-PONTE BONIFICA (AS10) 10 IDR.VECCHIANO OUT (AS11) 11 IDR.VECCHIANO IN 1 (AS12) 12 IDR.VECCHIANO IN 2 (AS13) 13 IDR.VECCHIANO IN 3 (AS14) 14 SEPARATORE-CENTRALE (AS15) 15 BARRETTA (AS16) 16 BARRA-PONTE TRAVERSAGNA (AS17) 17 BARRA A VALLE DELLE IDROVORE L12 CENTRO LAGO L15 Tab. 1 - Relazione tra Toponimi e numeri di campione utilizzati nei grafici Febbraio Il punto 13 è intermedio tra 14 e 12 e risulta avere una salinità maggiore del 14. Occorre pensare quindi che nel tratto entri acqua più salata. Un immissario possibile è il fosso Reale (7). Se le acque del punto 13 fossero il risultato di un mescolamento tra l acqua del 14 con quella del Fosso Reale nel grafico binario Cl-SO4 dovrebbero posizionarsi sulla retta che unisce questi due punti. Questo non avviene, anche ammettendo riduzione di solfato. È viceversa ipotizzabile un ingresso di acqua con composizione analoga a quella del lago. In questo caso la quantità di acqua del lago per dare la concentrazione di cloruri rilevata nel punto 13 dovrebbe essere del 48%. In tal caso, la portata da 14 a 13 dovrebbe quasi raddoppiare. Con questo valore di mescolamento le altre specie dovrebbero avere le concentrazioni riportate in tabella 2. Tab. 2 Modello di mescolamento per il mese di febbraio 2008 per il punto 13 62

65 Fosso reale SO L Lago Fig. 1 Grafico binario Cl-SO4 per il mese di febbraio 2008 Le differenze tra le specie maggiori sono dell ordine del 10% con i dati ricostruiti superiori a quelli misurati per SO 4, K, Ca ed inferiori per Na ed alcalinità. Le differenze maggiori riguardano l alcalinità, l ammoniaca, i nitriti e i fosfati per i quali il dato ricostruito ha valori sempre più bassi rispetto al dato misurato. L idea di un apporto di acqua del lago rimane plausibile, tuttavia occorre pensare che questa interagisca con terreni riducenti e ricchi di materia organica e di fosforo, quali effettivamente sono quelli prospicienti al lago. La concentrazione di cloruri aumenta ancora passando dal punto 13 al punto 12. Se si ipotizza lo stesso modello di mescolamento che prevede un apporto di acque dal lago si ottengono i seguenti risultati (Tab. 3): Cl NOME X Alcalinità Cloruri Solfati Sodio Potassio Calcio Magnesio Br B N-NH4 N-NO2 N-NO3 Ntot P-P04 Ptot ricostruito(cl) E E valore misurato E differenza percentuale errrore E E E E-02 Tab. 3 Modello di mescolamento per il mese di febbraio 2008 per il punto 12 Le differenze percentuali sugli ioni maggiori tra dati osservati e calcolati anche in questo caso sono ridotte, tuttavia permangono valori significativamente più elevati di nutrienti. Se consideriamo pari a 100 la portata nel punto 14, secondo i due modelli di mescolamento, in 12 questa risulterebbe pari a 268. Per quanto riguarda il punto 11, nel mese di febbraio, esso non differisce molto dal punto 12 per ciò che riguarda Cl e SO 4 ed in genere gli ioni maggiori (Ca, Mg, Na) ed anche i fosfati. Diminuisce drasticamente invece il contenuto di ammoniaca. Il punto L12 (la foce della Barra) potrebbe essere, come è lecito pensare, un mescolamento tra la Barra a monte delle idrovore (punto 10) ed il lago. Di seguito è riportata la tabella riassuntiva di tale processo. 63

66 NOME X Alcalinità Cloruri Solfati Sodio Potassio Calcio Magnesio Br B N-NH4 N-NO2 N-NO3 Ntot P-P04 Ptot ricostruito(cl) E E-02 valore misurato E E differenza percentuale errrore 6.16E E E E E E-02 Tab. 4 Modello di mescolamento per il mese di febbraio 2008 per il punto L12 In questo caso la Barra a valle delle idrovore sarebbe il risultato di un mescolamento tra il 39% di acqua del lago ed il 61% di acqua della Barra campionata al ponte della Bonifica. Ancora una volta in questi processi di mescolamento il contenuto di nutrienti non si conserva. Marzo Come da programma, non sono stati effettuati campionamenti del lago. Per confronto sono stati però riportati sul grafico di Fig. 2 i valori di L12 (foce Barra) e centro lago di febbraio e aprile. In questo caso, la situazione è capovolta rispetto a febbraio, nel senso che il punto di maggiore concentrazione degli ioni Cl è rappresentato dal campione 14. Infatti i cloruri diminuiscono nel passare dal punto 14 al punto 13, mentre i solfati aumentano Fosso Reale Retta di mescolamento Punto 14 con un'acqua X per dare 13 SO L12 aprile Lago aprile 13 L12 Febbraio Lago febbraio Serie2 Serie1 Serie3 Serie4 Serie5 Serie6 Serie7 Serie8 200 Depuratore Vecchiano Fig. 2 Grafico binario Cl-SO4 per il mese di marzo 2008 Cl Nel piano considerato, pur non essendo esattamente sulla stessa retta, Fosso Reale può essere il termine di mescolamento con le acque del punto 14 per dare le acque del punto 13, a patto che l acqua si arricchisca di solfati. Se si ipotizza un afflusso di acqua dal lago, questa dovrebbe avere una composizione tale da posizionarsi sulla retta sopra il punto 13. La posizione del punto 12 può essere spiegata solamente con un afflusso di acqua povera di cloruri e solfati, presenti nella parte sud del sistema e riportata a titolo di esempio sul grafico. Questa diversa situazione potrebbe essere spiegata considerando l entità delle piogge che si sono verificate nei 5 giorni immediatamente precedenti al campionamento dando origine ai deflussi superficiali che alimentano i canali della porzione a sud del bacino poi convogliati sul punto

67 La posizione del punto 10 potrebbe confermare la presenza nel sistema di acqua caratterizzata da un elevato rapporto SO4/Cl, diverso quindi da quello che presumibilmente è il rapporto del lago. In sintesi, la posizione del punto 13 può essere spiegata solamente presupponendo l ingresso di acque in cui la relazione tra SO4 e Cl è data dalla seguente equazione: SO4= *Cl Un acqua simile a quella del punto 8 si avvicina molto a tale retta. Aprile La composizione dell acqua nel punto 13 non può essere spiegata supponendo un mescolamento tra un acqua come la 14 e l acqua del lago o di L12. In realtà non si può riconoscere alcuna acqua, compresa quella del fosso Reale, in grado di spostare il punto 14 verso il 13. In questo caso 13 e 12 hanno posizioni molto vicine. Il campione sulla Barra (10) sembra risentire più di acque simili a quelle del punto 9 che non delle acque della sua foce (L12). Lo spostamento dalla retta L12-9 potrebbe essere spiegato con un influsso di acque di tipo bicarbonato a minore salinità, come quelle provenienti dal settore meridionale Fosso Reale SO L12 14 Centro Lago Serie1 Serie2 Serie3 Serie5 Serie4 Serie6 Serie AS5 AS Fig. 3 Grafico binario Cl-SO4 per il mese di aprile 2008 Si possono ipotizzare processi di mescolamento quali: 1 ) Lago + 9 per dare L12 2) Lago + 11 per dare L12 Cl Ipotesi 1 (Tab. 5): La frazione di acqua di lago in L12 sarebbe, in questo periodo pari al 43% circa, mentre acque come la 9 (idrovora di Massaciuccoli) contribuirebbero per il 57%. SO4, Na, K sono ben ricostruiti. Anche le differenze sull ortofosfato rientrano nei limiti dell errore sperimentale. La cosa non vale per i nitriti e soprattutto per i nitrati. 65

68 NOME Data Alcalinità Cloruri Solfati Sodio Potassio Calcio Magnesio Br B N-NH4 N-NO2 N-NO3 Ntot P-P04 Ptot ricostruito(cl) E E valore misurato E differenza percentuale errrore 4.87E E E E E-02 Tab. 5 Primo modello di mescolamento per il mese di aprile 2008 per il punto L12 Ipotesi 2 (Tab. 6) In questo caso il 28% circa delle acque del punto L12 sarebbe acqua del lago ed il resto proverrebbe da acque simili a quelle rappresentate dal campione 11 (idrovora di Vecchiano). NOME X Alcalinità Cloruri Solfati Sodio Potassio Calcio Magnesio Br B N-NH4 N-NO2 N-NO3 Ntot P-P04 Ptot ricostruito(cl) E valore misurato E differenza percentuale errrore 6.82E E E E E-02 Tab. 6 Secondo modello di mescolamento per il mese di aprile 2008 per il punto L12 Il campione 10 potrebbe essere invece il risultato di una miscela ternaria di acque con composizione analoga a quella del lago, del campione 9 e di acque provenienti dal settore meridionale. In questo caso il contributo sarebbe del 12% di acqua tipo 5, 78% di acqua tipo 9 e 10% di acqua del lago. Maggio Come da programma il lago non è stato campionato. Nel grafico di Fig. 4 sono state riportate le composizioni del lago corrispondenti ai mesi di aprile e giugno. Le valutazioni riportate sono quindi solo qualitative. La situazione è simile a quella di Febbraio L aumento di salinità nel passaggio dal punto 14 al punto 13 può essere addebitabile all immissione di acqua del lago. Dal campione 13 al campione 12 le variazioni osservate sono molto ridotte, tuttavia lo spostamento del punto 12 rispetto alla retta di mescolamento richiede una contaminazione con acqua di minore salinità, come quella del settore meridionale. I campioni 11 e 12 non sono distinguibili SO Fosso Reale Lago giugno aprile Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie Cl Fig. 4 Grafico binario Cl-SO4 per il mese di maggio

69 La posizione del campione 10 è giustificabile ricorrendo ad un mescolamento tra acqua del lago ed acqua con tipo chimico vicino a quella del campione 9 (idrovora di Massaciuccoli) il cui contributo supererebbe di gran lunga quello del lago. Giugno Come in febbraio e maggio, il campione 13 ha un contenuto di cloruri più elevato del campione 14. Tenendo conto del fatto che la sola acqua che presenta un valore di Cl superiore a quello del campione 13 è il centro lago, occorre ancora una volta pensare ad un processo in cui l'acqua del lago si mescola con il campione 14 e si ha un processo importante di riduzione dei solfati (Fig.5) SO Fosso reale L12 Centro lago Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie Fig. 5 Grafico binario Cl-SO4 per il mese di giugno 2008 Cl Analogamente a quanto osservato per il mese di febbraio 2008, in questo processo l'acqua acquisterebbe anche NH 3, NO 2, NO 3, P-PO 4 e Ptot. Il 78% dell'acqua proverrebbe dal lago, il restante 22% dal acque simili a quelle campionate nel punto 14. I valori elevati di N-NH 4 ed N-NO 3 stanno ad indicare una situazione di chiaro disequilibrio redox (Tab. 7). NOME X Alcalinità Cloruri Solfati Sodio Potassio Calcio Magnesio Br B N-NH4 N-NO2 N-NO3 Ntot P-P04 ricostruito(cl) E E-03 valore misurato E differenza percentuale errrore E E-03 Tab. 7 Modello di mescolamento per il mese di giugno 2008 per il punto 13 Dati i rapporti di mescolamento si dovrebbe osservare un aumento della portata nel canale passando dal punto 14 al punto 13. Se si assegna valore 100 alla portata nel punto 14, nel punto 13 questa sarebbe 454. Passando da 13 a 12, invece, si osserva una diminuzione del contenuto di Cl. Ciò può essere dovuto o a un ingresso di acqua proveniente dal settore meridionale (non mostrata in figura). 67

70 L acqua della Barra a valle delle idrovore (L12) sembra essere il risultato di un mescolamento binario tra il lago ed un'acqua con caratteristiche simili a quella campionata nel punto 10. Lo spostamento del punto 11, benché minimo potrebbe indicare una influenza di acque analoghe a quelle campionate in L12 (Barra a valle delle idrovore). La tabella 8 riporta i risultati del modello di mescolamento. NOME X Alcalinità Cloruri Solfati Sodio Potassio Calcio Magnesio Br B N-NH4 N-NO2 N-NO3 Ntot P-P04 ricostruito(cl) E-02 valore misurato E-02 differenza percentuale errrore 6.70E E E E-03 Tab. 8 Modello di mescolamento per il mese di giugno 2008 per il punto L12 In questo caso il contributo del lago dovrebbe essere del 65% circa, mentre quello della Barra del 35%. Agosto Si veda 4.2 Settembre Il punto 14 potrebbe risentire di apporti di acque del tipo fosso Reale, mescolate con acque del tipo 3, con riduzione di solfati. Passando dal 14 al 13 si ha un importante aumento di ioni Cl, analogamente a quanto già osservato per i mesi di febbraio, maggio, giugno e agosto con aumento di solfati. La mancanza del campione del lago non consente di fare considerazioni quantitative, anche se possono essere invocati i processi precedentemente descritti per i mesi suddetti. La Barra (10)sembra risentire molto di apporti di acque di bassa salinità (campione 4) e la sua composizione può essere interpretata in termini di mixing tra tali acque ed acque come in L12 (Barra a valle delle idrovore), il cui peso sarebbe però molto ridotto Centro Lago (agosto) L12 agosto Centro Lago ottobre 300 SO Fosso Reale L12 ottobre 150 AS Cl Fig. 6 Grafico binario Cl-SO4 per il mese di agosto

71 Ottobre Anche in questo caso i cloruri aumentano passando da 14 a 13. Si può ancora ipotizzare un apporto delle acque del lago con riduzione dei solfati. La tabella 9 riporta i risultati del modello di mescolamento tra il punto 14 ed il centro lago per dare il campione Lago SO4 300 Fosso Reale L Fig. 7 Grafico binario Cl-SO4 per il mese di ottobre 2008 Cl Secondo questo modello il 62% dell'acqua proverrebbe dal lago ed il restante 38% proverrebbe da 14. Se 100 è la portata in 1, quella misurata nel punto 13 sarebbe 263; come per gli altri mesi, nel mescolamento si perderebbero solfati e si acquisterebbero fosfati ed ammoniaca. NOME Data Alcalinità Cloruri Solfati Sodio Potassio Calcio Magnesio Br B N-NH4 N-NO2 N-NO3 Ntot P-P04 ricostruito(cl) E valore misurato E-02 differenza percentuale errrore 5.04E E E E E E-05 Tab. 9 - Modello di mescolamento per il mese di ottobre 2008 per il punto 13 Passando da 12 a 13 i cloruri diminuiscono ed aumentano i solfati. Questo fatto potrebbe essere causato dall apporto di acque con composizione analoga a quella misurata nel punto 7. Il campione della Barra a valle delle idrovore (L12) sembrerebbe prevalentemente costituito da acqua della Barra campionata al ponte della bonifica (campione 10) con perdita di solfati. 69

72 Novembre L'aumento dei cloruri passando da 14 a 13 potrebbe essere imputabile, ancora una volta all'influenza del lago. Mentre il passaggio da 13 a 12 si può spiegare con l'ingresso di acqua con caratteristiche analoghe a quella del campione 10 (Fig. 8) Reale SO Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie L12 gennaio 2009 Lago Gennaio 2009 Lago ottobre 400 L12 ottobre Cl Fig. 8 Grafico binario Cl-SO4 per il mese di novembre

73 ALLEGATO 6 LA MINERALIZZAZIONE DELLA SOSTANZA ORGANICA Per provare a quantificare la sorgente di nutrienti costituita dalla mineralizzazione della sostanza organica dei terreni, in mancanza di dati sperimentali, si sono tentate due metodologie di stima diverse. Il primo metodo è comunemente utilizzato in agronomia e prevede l uso del coefficiente di mineralizzazione della sostanza organica, che in ambiente mediterraneo è abbastanza costante ed oscilla fra l 1.5 e 2.0%. Il secondo metodo, meno codificato, parte dall ipotesi, sperimentalmente confermata in contesti analoghi (suoli torbosi), che il fenomeno sia la risultante di due processi: uno di tipo fisico, legato alla compattazione delle torbe disidratate, l altro, di tipo bio-chimico, attribuibile alla mineralizzazione della sostanza organica. In entrambi i casi, la stima è stata spazializzata, disponendo, da un lato del già citato database georiferito dei suoli del comprensorio (si veda 2.5), dall altro di un immagine raster della subsidenza (calcolata come differenza delle quote registrate nel 1935 e nel 2006) fornita dall Autorità di Bacino del Fiume Serchio. Il calcolo è stato effettuato facendo riferimento alla sola superficie comune ai due strati informativi (1639 ha circa). Per la stima della mineralizzazione della sostanza organica si è proceduto secondo la seguente equazione: Cmin = Vt BD SO Kmin C/SO dove: Cmin = quantità di carbonio organico che viene mineralizzata in un anno in kg/ha anno Vt = volume di un ha di terreno profondo 0.4 m (spessore corrispondente alla profondità dello strato lavorato) in m 3 BD = densità apparente del terreno in t/m 3 SO = contenuto in sostanza organica del suolo in % Kmin = coefficiente di mineralizzazione in % C/SO = contenuto di carbonio nella sostanza organica, costante e pari a 0.58 % Il coefficiente di mineralizzazione è stato fissato a 1.8, facendo riferimento a precedenti osservazioni sperimentali condotte presso il Centro Interdipartimentale di Ricerche Agro- Ambientali E. Avanzi (Bonari et al., 1997), il contenuto di sostanza organica è stato ricavato dal database dei suoli e la densità apparente è stata calcolata come descritto in Allegato 4. Per ottenere dal carbonio organico mineralizzato (Cmin) una stima del fosforo o dell azoto mineralizzato è necessario conoscere il rapporto che nella sostanza organica del suolo lega questi elementi. Purtroppo, mentre il rapporto C/N nei diversi ambienti climatici, è praticamente costante e si aggira intorno a 10 (± 2), il rapporto C/P appare più variabile, aumentando proporzionalmente al contenuto di materia organica. Inoltre anche il rapporto P/P org risulta modulato dal contenuto di sostanza organica. Nel caso in esame, facendo riferimento alle analisi eseguite sui suoli campionati, si sono fissati tre valori soglia del rapporto C/P e del rapporto P/P org, in funzione del contenuto di sostanza organica: 80, 250 e 300 rispettivamente per i suoli con SO < 5%, compresa tra 5 e 10% e > 10%. Eseguendo il calcolo su tutti i punti di suolo a disposizione e spazializzando il dato, facendo ricorso a metodi geostatistici (kriging ordinario) (Figura 1), si ottiene una media annua di 27 kg P/ha mineralizzato. Per la stima a partire dalla subsidenza, il calcolo è stato effettuato secondo la seguente equazione: Cmin= Sa BD t Im C/SO dove: Sa = tasso osservato di subsidenza annua in m/anno 71

74 BD t = densità apparente della torba in t/m 3 Im = incidenza della mineralizzazione sul compattamento in % Fig. 1 Spazializzazione del fosforo mineralizzato stimato a partire dal contenuto di sostanza organica dei terreni In questo caso le incertezze del calcolo sono maggiori ed essenzialmente a carico del parametro Im che dovrebbe valutare l incidenza che il fenomeno della mineralizzazione ha sul totale della subsidenza osservata. Non avendo a disposizione alcuna osservazione sperimentale nell area in oggetto, si è fatto ricorso a dati di letteratura ricavati in ambienti analoghi (Grønlund et al., 2008; Gambolati et al., 2006), fissando questo parametro nel range 30-40%. Un ulteriore incertezza sorge dal fatto che, come è noto, il processo di compattazione è più importante nelle fasi immediatamente successive alla bonifica per drenaggio, mentre il fenomeno di mineralizzazione acquista importanza negli anni a seguire; inoltre lo stesso tasso di subsidenza complessiva è variabile, essendo destinato a diminuire nel corso del tempo. Per una stima più precisa quindi, sarebbe necessario avere a disposizione dati intermedi relativi all evoluzione temporale del fenomeno. La densità apparente della torba è stata fissata a 0.2, valore medio riportato in letteratura. 72

75 La stima ottenuta con il secondo metodo varia da 26 a 34 kg/ha di fosforo mineralizzato annualmente (al variare della percentuale di incidenza della mineralizzazione sul fenomeno complessivo), di conseguenza è assai simile al valore ottenuto con il primo procedimento, consentendo di ipotizzare che l incidenza della mineralizzazione sul fenomeno del compattamento debba essere vicina, almeno mediamente, all intervallo individuato. A riprova della coerenza delle stime, la correlazione spaziale tra il carbonio organico mineralizzato calcolato con i due metodi è risultata significativa, con un valore di R 2 pari a 0.7 (Fig..2). a b Fig. 2 Stima del carbonio mineralizzato a partire dal tasso di subsidenza (a) e dalla mineralizzazione della sostanza organica dei terreni (b) 73