ALLEGATO 2 La caratterizzazione idrologica del bacino del Lago di Massaciuccoli

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1 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

2 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

3 - 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

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

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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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

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

27 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

28 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

29 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

30 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

31 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

32 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

33 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