Studio della vulnerabilità degli acquiferi all inquinamento attraverso l applicazione della metodologia SINTACS - Principi teorici e procedura.

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1 Dispense del corso online Studio della vulnerabilità degli acquiferi all inquinamento attraverso l applicazione della metodologia SINTACS - Principi teorici e procedura. 23/03/2015 Docente: Geol. Enzo Cuiuli GC19 1

2 INDICE Risorse utili Introduzione Premessa 1. BREVE RICHIAMO DEI CONCETTI BASE DI IDROLOGIA E IDROGEOLOGIA 1.1 Ciclo Idrologico - Bilancio Idrologico 1.2 Definizione dei parametri idrologici di base per il bilancio idrogeologico 1.3 Definizione di acquifero 1.4 Tipi di acquifero 1.5 Elementi e parametri idrogeologici essenziali dell acquifero 2. INQUINAMENTO DELLE ACQUE SOTTERRANEE 2.1 Introduzione 2.2 Principali categorie di inquinanti 2.3 Centri di Pericolo 2.4 Modalità di migrazione degli inquinanti in falda 3. LA METODOLOGIA SINTACS PER LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ INTRINSECA DI UN ACQUIFERO 3.1 Introduzione 3.2 Generalità 3.3 Raccolta e rilevamento dei dati di base 3.4 Metodologia 3.5 Descrizione tipologia e significato stringhe pesi 3.6 Organizzazione dei dati di input e calcolo dell Indice di Vulnerabilità SINTACS 2

3 Riferimenti bibliografici 1. BERETTA G.P., (1992) - Idrogeologia per il disinquinamento delle acque Sotterranee, Pitagora Ed.; Bologna 2. CASADIO M., ELMI C., (1995) - Il manuale del geologo, Pitagora Ed.; Bologna 3. CASTANY G., (1967) - Prospection et espoitation des eaux souterraines; Paris 4. CASTANY G., (1985) - Idrogeologia principi e metodi; Dario Flaccovio Ed. Palermo 5. CELICO P., (1986) - Prospezioni idrogeologiche VOL. 1-2, Liguori Ed.; Napoli 6. CIVITA M. (1994) - Le carte della vulnerabilità degli acquiferi all'inquinamento: Teoria & pratica - The maps of groundwater vulnerability to pollution:theory and practice, Quaderni e Tecniche di protezione ambientale, 31: 325, Pitagora Ed.; Bologna 7. CIVITA M., DE MAIO M. (2000) - Valutazione e cartografia automatica della vulnerabilità degli acquiferi all'inquinamento con il sistema Parametricosintacs R5 - A new parametric system for the assessment and automatic Mapping of ground water vulnerability to contamination, Quaderni e Tecniche di protezione ambientale, 72: 226., Pitagora ed.; Bologna 8. CERBINI GIANNI, (1992) - Il manuale delle acque sotterranee; Geo-Graph Ed. 9. CUIULI E. (2012) - Contributo alla conoscenza delle caratteristiche Idrogeologiche della piana di s. Eufemia Lamezia (Calabria) - primi risultati, Acque sotterranee, 127, pp.19-32; Felci ed. 10. CUIULI E. (2013) - La carta della vulnerabilità intrinseca dell'acquifero superficiale della piana di S. Eufemia Lamezia (Calabria) - The groundwater Intrinsic vulnerability map of S. Eufemia Lamezia plain (Calabria), Acque sotterranee - Italian Journal of Groundwater, [N. 132/2-2013] 11. GISOTTI G., ZARLENGA F., (2004) - Geologia ambientale - principi e metodi, Dario Flaccovio Ed.; Palermo 3

4 Introduzione Il corso d'aggiornamento professionale, di seguito proposto, riguarda lo studio della vulnerabilità intrinseca degli acquiferi all'inquinamento finalizzato alla costruzione della carta di vulnerabilità di un acquifero. Questi ultimi sono, infatti, maggiormente soggetti alla pressione antropica ed agli impatti che da essa derivano, risultando i più esposti al degrado della risorsa idrica in termini di carichi inquinanti che potenzialmente insistono sugli acquiferi stessi. Nella prima parte del corso, dopo un breve richiamo dei concetti base di Idrologia ed Idrogeologia, verrà trattato, in generale il tema dell'inquinamento delle acque sotterranee. Saranno descritte schematicamente le maggiori categorie d'inquinanti, i centri di pericolo e le attività antropiche da cui derivano. Verranno inoltre descritte le principali modalità di migrazione degli inquinanti in falda. Nella seconda parte del corso invece, dopo una rapida descrizione delle principali metodologie di stima della vulnerabilità intrinseca degli acquiferi all'inquinamento, si entrerà nel vivo dell'argomento oggetto del corso; trattando gli aspetti metodologici legati all'applicazione della procedura SINTACS per la costruzione delle carte di vulnerabilità intrinseca di un acquifero. Saranno pertanto esposti, in maniera didascalica i criteri, le formule ed i grafici funzionali alla determinazione dei sette parametri utilizzati per definire l'indice di vulnerabilità intrinseca. In ultimo sono presenti alcuni esempi di calcolo della matrice SINTACS ed una carta di vulnerabilità intrinseca costruita con il metodo di seguito enucleato. 4

5 Premessa Il crescente grado di inquinamento ambientale ha fatto maturare, nel mondo tecnico scientifico, una particolare attenzione alla protezione della risorsa idrica. Le azioni intraprese in tal senso sono principalmente di tipo qualitativo, attraverso la prevenzione di possibili fenomeni d'inquinamento. In quest'ottica assume grande rilevanza il concetto di vulnerabilità dell'acquifero anche in relazione al impatto sulle acque sotterranee. Quest'ultimo legato al crescente grado di antropizzazione del territorio che se mal pianificato/gestito può generare un degrado della risorsa che nei casi più gravi può degenerare in un vero e proprio inquinamento delle falde idriche. Tali problematiche hanno progressivamente spinto verso una maggiore comprensione dei meccanismi che regolano il moto dei fluidi nel mezzo poroso, con lo scopo di costruire degli strumenti predittivi dei possibili scenari di rischio di un territorio con particolare riferimento alla vulnerabilità degli acquiferi soggiacenti. Tra le tante definizioni di vulnerabilità coniate negli anni si richiama la seguente: "La vulnerabilità intrinseca o naturale degli acquiferi è la suscettibilità specifica dei sistemi acquiferi, nelle loro diverse pari componenti e nelle diverse situazioni geometriche ed idrodinamiche, ad ingerire e diffondere, anche mitigandone gli effetti, un inquinante fluido od idroveicolato tale da produrre impatto sulla qualità dell'acqua sotterranea, nello spazio e nel tempo" (Civita; 1987, 1994). In altre parole la "vulnerabilità intrinseca" di un acquifero è funzione di diversi parametri tra cui i più importanti sono: la litologia, la permeabilità dei litotipi, la geometria dell'acquifero, la soggiacenza della falda, i processi di ricarica/discarica dell'acquifero, i processi idrogeochimici (fisici e biologici). Questi ultimi s'instaurano nel sistema suolo-sottosuolo influenzando direttamente la qualità delle acque sotterranee e la migrazione di eventuali inquinanti idrosolubili / idrotrasportati all'interno di un acquifero potenzialmente inquinabile. Lo studio della vulnerabilità dell'acquifero, attraverso il metodo analizzato nella seconda parte del corso, si concretizza nella redazione della carta della vulnerabilità intrinseca di un acquifero soggiacente in un determinato territorio. Questa cartografia rappresenta una sintesi di una serie di tematismi che descrivono i caratteri idrogeologici peculiari del territorio esaminato e che, sovrapposti gli uni agli altri (overlaying), riproducono uno scenario statico della suscettibilità dell'acquifero all'inquinamento. Figura 1: Schema sintetico (sinottico) della procedura SINTACS indicante i 7 tematismi utilizzati per la valutazione della vulnerabilità di un' acquifero con il metodo SINTACS. La metodologia di seguito trattata per la costruzione della Carta di vulnerabilità intrinseca di un acquifero superficiale è il SINTACS, di cui si parlerà meglio in seguito. In estrema sintesi, questo metodo prevede una 5

6 stima della vulnerabilità attraverso il calcolo dell'indice di Vulnerabilità, per ciascuna cella, con cui viene discretizzata la zona di studio. Il territorio viene così suddiviso in aree caratterizzate da un grado di vulnerabilità da medio a molto elevato, passando per i termini intermedi. In questo quadro eterogeneo possono assumere una particolare importanza, nello studio della vulnerabilità di un acquifero e nell'individuazione degli eventuali contaminanti presenti, i Centri di Pericolo esistenti nella zona studiata. Questi ultimi verranno meglio descritti in seguito. 6

7 1. BREVE RICHIAMO DEI CONCETTI BASE DI IDROLOGIA E IDROGEOLOGIA 1.1 Ciclo Idrologico - Bilancio Idrologico Figura 2: Rappresentazione schematica del ciclo idrogeologico L'espressione del ciclo idrologico è: P = ETR +R + I [1.0] Esplicitando i termini: P = Precipitazioni; ETR = Evapotraspirazione (evaporazione + traspirazione delle piante); R = Ruscellamento; I = Infiltrazione efficace ovvero il quantitativo d'acqua che s'infiltra realmente nel sottosuolo e che non viene trattenuta dagli stati superficiali di suolo. Il bilancio idrologico è quindi una stima del quantitativo d'acqua in entrata (P), ovvero degli afflussi, e del quantitativo d'acqua in uscita (ETR+R+I) deflussi. Il bilancio idrologico è un mezzo per il controllo dei dati e quindi delle singole variabili calcolate separatamente. Il calcolo delle variabili che compongono l'equazione del bilancio idrologico non saranno trattate durante il corso; si rimanda a trattazioni più approfondite, riportate in bibliografia, per questo tipo di valutazioni. 7

8 1.2 Definizione dei parametri idrologici di base per il bilancio idrogeologico Applichiamo l'espressione generale del ciclo idrogeologico ad un bacino. La [1.0] rappresenta l'equazione del bilancio idrogeologico del bacino studiato P = ETR+R+I [1.0] e sostituendo D = (R+I) [1.1] la [1.0] diventa: P = ETR+D [2.0] Da cui: D = P-ETR [3.0] Con: ETR = P / (0,9 + P 2 /L 2 ) [4.0] ed: L= T+ 0,05T 3 [4.1] Esplicitando i termini: P = Precipitazioni (mm); ETR = Evapotraspirazione; R = Ruscellamento; I = Infiltrazione efficace; D = Deflusso idrico globale (R+I); T= Temperatura. N.B.: P (mm) e T ( C) sono valori medi annui (20-50 anni) oppure valori annui (se il bilancio viene effettuato per un anno in particolare). Tuttavia si evidenzia che solitamente nella pratica professionale e comunque ai fini del presente corso vengono utilizzati per P e T i valori medi annui calcolati in un intervallo rappresentativo di misure (almeno 20 anni); a tal proposito si precisa che maggiore e il numero di misure (anni) disponibile maggiore è l'accuratezza del risultato ottenuto. I dati di precipitazione e temperatura registrati nelle stazioni meteorologiche ricadenti nell'area di studio possono essere ricavati dalle banche dati dell'ex servizio Idrografico e Mareografico di Stato (oggi Centri Funzionali Decentrati/Regionali). Molto spesso gli unici dati disponibili sono T e P. Pertanto le difficoltà maggiori nel calcolo del bilancio idrogeologico si incontrano nella determinazione di I e di R. Si può risalire alle aliquote di Infiltrazione e di Ruscellamento, in maniera empirica, attraverso i CIP (Coefficienti di Infiltrazione Potenziale) CIP = [I/D] 100 [5.0] dalla [5.0] si ricava: I = CIP/100 D [6.0] D viene calcolato applicando la [3.0] Litologia CIP [%] Litologia CIP [%] Calcari Lave Calcari dolomitici Depositi Piroclastici

9 Dolomie Piroclastici e Lave Calcari Marnosi Rocce Intrusive Detriti Grossolani Rocce Metamorfiche 5-20 Depositi Alluvionali Sabbie Depositi Argillosi 5-25 Sabbie Argillose Tabella 1: Coefficienti d'infiltrazione Potenziale (CIP) di alcuni dei litotipi più diffusi [Celico, 1988 mod e rid.] Noto il CIP ed avendo determinato la I applicando la [6.0] è possibile definire R dalla [1.1] R = D - I [6.1] ESEMPIO: ESEGUIRE IL BILANCIO IDROGEOLOGICO DI UN BACINO DATI Litologia: Depositi alluvionali fini Piovosità media/annua: 927,5 mm/anno Temperatura media: 17,8 C Coefficiente d'infiltrazione Potenziale (alluvioni fini): 80% SOLUZIONE Per definire il bilancio idrogeologico di un bacino è necessario partire dalla [1.0] procedendo al calcolo di ogni singola incognita. Inizialmente calcoliamo il contributo dell'evapotraspirazione (ETR) applicando la [4.1] e la [4.0] L= ,8 + 0,05 (17,8 ) 3 = 1026,99 ETR = 927,5 mm/anno / [0,9 + (927,5 mm/anno) 2 / (1026,99) 2 ] = 708,01 mm/anno si procede poi con il calcolo del Deflusso superficiale D applicando la [3.0] D= 927,5 mm/anno - 708,01 mm/anno = 219,49 mm/anno e si prosegue con il calcolo dell'infiltrazione I applicando la [6.0] con CIP = 0,80 I = 219,49 mm/anno 0,80 = 175,59 mm/anno Successivamente si calcola il Ruscellamento R applicando la [6.1] R = 219,49 mm/anno - 175,59 mm/anno = 43,9 mm/anno 9

10 Infine come verifica dei calcoli effettuati si può eseguire la procedura inversa sostituendo i valori ottenuti nell'equazione generale [1.0] 927,5 mm/anno = 708,01 mm/anno + 43,9 mm/anno + 175,59 mm/anno = 927,5 mm/anno Di seguito verranno richiamati, sinteticamente, alcune nozioni base dell'idrogeologia, propedeutici alla trattazione ed ad una miglior comprensione degli aspetti operativi della metodologia proposta e di seguito meglio estrinsecati. 10

11 1.3 Definizione di acquifero Le rocce o l'insieme di rocce che hanno caratteristiche tali da consentire l'assorbimento, l'immagazzinamento, il deflusso, la restituzione di acque sotterranee, in quantità apprezzabili, sono dette rocce serbatoio o acquiferi (Celico, 1986). L'acquifero è quindi un insieme di rocce permeabili sature d'acqua in grado di consentire il deflusso di apprezzabili quantità d'acqua. La permeabilità dell'acquifero può essere: Primaria (per porosità), acquiferi alluvionali [sabbie, ghiaie ecc.]; Secondaria (per fatturazione) [rocce metamorfiche, granitiche, sedimentarie]. Figura 3: Esempi schematico di acquifero alluvionale ed in roccia In Figura 3 sono riportati schematicamente gli elementi essenziali del sistema acquifero. 1. Zona di alimentazione in cui si esplica l'infiltrazione delle acque pluviali e la ricarica della falda; 2. Zona di deflusso - serbatoio costituisce l'acquifero vero e proprio, in cui avviene lo scorrimento delle acque; 3. Limiti idrodinamici 11

12 limite idrodinamico a flusso variabile Superficie piezometrica Può subire oscillazioni verticali in ragione della ricarica e del deflusso. limite a flusso nullo Substrato impermeabile In questa zona non si hanno scambi idrici limite a flusso negativo Sorgente Ogni emergenza idrica rappresenta una uscita della risorsa dal sistema. La velocità dell'acqua, all'interno dell'acquifero, può variare da parecchi m/giorno (acquiferi carsici o molto fratturati) a pochi cm/sec (acquiferi poco permeabili). Figura 4: Elementi essenziali del sistema acquifero (Nardi, 2000; mod.) Estratto delle dispense del corso online Studio della vulnerabilità intrinseca di un acquifero all'inquinamento attraverso l'applicazione della procedura SINTACS; principi teorici e procedura disponibile sulla piattaforma e-learning per professionisti tecnici Geocorsi. Ogni corso è valutato in termini di crediti formativi nelle misure previste dai Consigli Nazionali dell'area tecnica di riferimento. Accedi alla scheda del corso per tutti i dettagli. Per informazioni: info@geocorsi.it 12