Convegno di Medio Termine dell Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, 22-24 settembre 2011 memoria n. VALUTAZIONE DELLA RICARICA DELLA FALDA IN UN FONDOVALLE ALLUVIONALE: MONITORAGGIO AMBIENTALE E SIMULAZIONI NUMERICHE M. Pirastru 1, M. Niedda 1 (1) Dipartimento di Ingegneria del Territorio, Università degli Studi di Sassari SOMMARIO Le aree di fondovalle all interno dei bacini idrografici svolgono un ampia varietà di funzioni idrologiche ed ecologiche, dipendenti dalla dinamica spaziale e temporale dei livelli della falda presente in queste aree. In questo lavoro è stato effettuato un monitoraggio ambientale nel fondovalle alluvionale di un bacino idrografico del Nord Sardegna, allo scopo di studiare i processi idrologici che influenzano la dinamica della falda. L umidità del suolo, i livelli di falda e le variabili climatiche sono stati osservati in campo per un periodo biennale. Un modello numerico basato sulla risoluzione dell equazione di Richards è stato utilizzato per simulare in modo efficiente i processi idrologici del suolo. L analisi effettuata sulla base dei dati osservati e dei risultati del modello ha mostrato che nel profilo di suolo monitorato la ricarica della falda è fortemente influenzata dalla vicinanza alla superficie della falda stessa, e che i flussi laterali nel suolo saturo hanno una grande importanza nel controllo dei livelli di falda. Parole chiave: monitoraggio, modello di Richards, falda superficiale. 1 INTRODUZIONE Le aree di fondovalle dei bacini idrografici svolgono un ampia varietà di funzioni idrologiche ed ecologiche, quali la regolazione dei processi di generazione dei deflussi idrici superficiali (Butturini et al. 2002), la ritenzione idrica durante gli eventi idrologici estremi (Sophocleous, 2002), l attenuazione naturale del carico di nutrienti e di inquinanti per mezzo della trasformazione biogeochimica (Triska et al. 1993). Molte di queste funzioni eco-idrologiche dipendono dalla dinamica spaziale e temporale dei livelli di falda, e dalla loro interazione con i corsi d acqua drenanti. La dinamica della falda superficiale è strettamente legata alle variazioni del bilancio idrico del complesso sistema acquifero-suolo-piante-atmosfera. Il bilancio idrico è infatti il risultato di processi idrologici che avvengono nel suolo non saturo, quali la ricarica verticale e l evapotraspirazione, e di flussi idrici laterali attraverso il suolo saturo. Studiare la dinamica temporale di questi processi è quindi fondamentale per la comprensione della dinamica della falda negli acquiferi del fondovalle. L obbiettivo di questo lavoro è di studiare i processi idrologici che influenzano la dinamica della falda superficiale, e di valutare quantitativamente la ricarica della falda in un fondovalle alluvionale. A tal fine
M. Pirastru, M. Niedda è stata effettuata l analisi idrologica di un profilo verticale di suolo situato in un fondovalle alluvionale di un piccolo bacino idrografico del Nord Sardegna. L umidità del suolo, i livelli di falda e le variabili climatiche sono stati monitorati in campo con una elevata risoluzione temporale per un periodo biennale. Un modello numerico basato sulla risoluzione dell equazione di Richards è utilizzato per simulare i processi idrologici del fondovalle, e i risultati del modello sono usati per la valutazione dei termini del bilancio idrico del suolo. 2 MATERIALI E METODI 2.1 Il sito sperimentale e lo schema di monitoraggio Il sito sperimentale è localizzato all interno del bacino idrografico del lago di Baratz, nel nord ovest della Sardegna (figura 1). Il sito sperimentale si trova in fondovalle della larghezza di circa 50 m, intersecato centralmente dall alveo in cui scorre l immissario principale del lago; la morfologia superficiale è localmente piatta, e la copertura vegetale è costituita da un prato di graminacee annuali. Il suolo, profondo circa 3 metri, è costituito da materiale di tessitura fine di origine alluvionale. L analisi dei sedimenti prelevati dal profilo verticale di suolo ha evidenziato che il materiale alluviale è verticalmente eterogeneo per colore, consistenza e tessitura, con la presenza di 4 strati alternativamente a tessitura franca e franco sabbiosa. Figura 1. a) Localizzazione del sito sperimentale all interno del bacino idrografico del lago di Baratz; b) immagine della stazione di monitoraggio ambientale durante la fase di realizzazione del piezometro per il monitoraggio dei livelli di falda e c) durante la fase di installazione dei TDR. Nel gennaio del 2009 il sito sperimentale è stato strumentato per il monitoraggio dell umidità del suolo, dei livelli della falda e delle variabili climatiche. A una distanza di circa 4 metri dall alveo inciso è stata installata una stazione climatica per la misura automatica delle precipitazione, della temperatura dell aria, dell umidità relativa, della velocità del vento, della radiazione solare netta e della pressione atmosferica. Questi dati sono stati utilizzati per il calcolo dell evapotraspirazione di riferimento ET0 (LT -1 ) alla scala oraria, usando il metodo FAO Penman-Monteith. In prossimità della stazione
Valutazione della ricarica della falda nel fondovalle: monitoraggio e simulazioni climatica sono state installate nel suolo quattro sonde TDR (CS216 Water Content Reflectometer, Cambell Scientific, Inc.) poste orizzontalmente alle profondità di 25, 50, 75 e 100 centimetri rispetto al piano di campagna, il cui segnale è stato calibrato tramite misure di umidità effettuate col metodo gravimetrico. Tutte le misure automatiche degli strumenti climatici e delle sonde TDR sono effettuate ogni 5 minuti e memorizzate allo stesso intervallo da un datalogger CR1000. Ad una distanza di circa 2 metri dal gruppo dei TDR è stato realizzato un piezometro di osservazione dei livelli della falda, i quali sono stati misurati ogni ora attraverso un trasduttore di pressione (sensore DIVER). 2.2 Descrizione del modello di simulazione I processi idrologici nel profilo di suolo monitorato sono stati descritti attraverso un modello di simulazione numerica, basato sulla risoluzione dell equazione 1D verticale di Richards (Pirastru & Niedda, 2010). Il profilo di suolo simulato ha uno spessore di 250 cm, in modo da comprendere tutte le fluttuazioni osservate della falda. Il profilo verticale è stato suddiviso in 4 strati orizzontali, in base alla stratificazione pedologica osservata in campo. Superiormente, la condizione al contorno del dominio di simulazione è definita dal flusso entrante rappresentato dalla precipitazione osservata ogni 5 minuti. La condizione al contorno inferiore del dominio di simulazione è definita attraverso il carico di pressione variabile esercitato dalla falda, il quale è specificato a intervalli orari. In questo modo, il modello di simulazione aggiusta i flussi idrici attraverso il contorno inferiore del profilo, simulando le fluttuazioni osservate della falda. Infine, le condizioni iniziali sono state specificate in termini di distribuzione del carico di pressione lungo il profilo, con una profondità iniziale della falda di 100 cm. 2.3 Stima dei parametri idraulici del suolo La soluzione numerica dell equazione di Richards richiede la conoscenza delle funzioni di ritenzione idrica θ(h) e della conducibilità idraulica K(h) del suolo. Nel modello di simulazione, queste funzioni sono quelle di Van Genuchten e di Mualem rispettivamente. Le curve di ritenzione e di conducibilità idrica del suolo sono state stimate tramite tre esperimenti di evaporazione svolti in laboratorio su campioni di suolo indisturbati. Gli esperimenti sono stati effettuati usando le procedure sperimentali descritte in Pirastru & Niedda (2010), applicandole in maniera simile su tre campioni (300 cm 3 ) prelevati dai primi tre strati di suolo. Inoltre, per valori di umidità prossimi alla saturazione, la conducibilità idraulica del suolo superficiale è stata stimata in campo con l utilizzo di un infiltrometro a tensione (diametro del disco Ø=20 cm), applicando sequenzialmente alla superficie del suolo le tensioni di -4.5, -3.5,-2.5,-1.5 cm. I punti sperimentali di ritenzione idrica e di conducibilità idraulica del suolo ottenuti per i primi due strati di suolo a tessitura franca e franco-sabbiosa sono riportati in figura 2. I parametri della funzione θ(h) e K(h) del suolo sono stati stimati interpolando i punti sperimentali di ottenuti in campo e in laboratorio con le funzioni di Van Genuchten e Mualem, come mostrato in figura 2. 3 RISULTATI E DISCUSSIONE 3.1 Dati osservati I dati di precipitazione, di umidità del suolo alle profondità di 25, 50, 75 e 100 cm di
M. Pirastru, M. Niedda Figura 2. (a) Curve di ritenzione idrica e (b) di conducibilità idraulica degli orizzonti di suolo superficiali di tipo franco (F) e franco sabbioso (FS), stimate con gli esperimenti di evaporazione e con l infiltrometro a tensione (IT). Le linee continue rappresentano le funzioni interpolanti di Van Genuchten-Mualem (VGM) utilizzate per le simulazioni numeriche. profondità, e i livelli di falda misurati nel sito sperimentale sono illustrati in figura 3 per il periodo compreso tra il 1 gennaio 2009 e il 31 dicembre 2010. Durante i periodi invernali, le sonde poste a 75 e 100 cm di profondità hanno misurato valori di umidità prossimi alla saturazione, per la presenza della frangia capillare. Le sonde TDR poste a 25 e 50 cm di profondità hanno misurato un contenuto idrico generalmente inferiore rispetto alle altre sonde, e hanno mostrato fluttuazioni più frequenti dell umidità. Nei periodi primaverili ed estivi, a causa degli intensi processi evapotraspirativi, tutto il profilo di suolo monitorato si è asciugato rapidamente, in misura maggiore negli strati superficiali. Durante il periodo di monitoraggio la falda è oscillata tra la superficie del suolo e i 2 metri di profondità. In inverno le fluttuazioni della falda sono generalmente ben correlate alle variazioni di umidità in tutti gli strati di suolo; invece, nella tarda primavera e in estate, quando il suolo era asciutto e la falda era lontana dalla superficie, la risalita dei livelli di falda è stata in qualche caso antecedente alla risposta delle sonde TDR poste in profondità. Questo comportamento della falda indica che probabilmente, quando il suolo è asciutto, la ricarica è iniziata da processi di flusso laterale attraverso l acquifero, dovuti ad esempio ad interazioni tra la falda e l adiacente corso d acqua, oppure da rapido flusso sottosuperficiale proveniente dagli vicini versanti. 3.2 Risultati del modello e ricarica della falda. Il modello di simulazione è stato avviato per il periodo compreso tra il 1 gennaio 2009 e il 31 dicembre 2010. I risultati delle simulazioni sono stati riportati in figura 3 e sono stati usati per valutare l affidabilità del modello. Le umidità simulate alle profondità di 25, 50, 75 e 100 cm seguono con buona approssimazione l andamento delle umidità osservate in campo. Il modello ben riproduce le elevate umidità osservate in inverno, così come i bassi contenuti idrici osservati in estate in tutti gli strati di suolo. Poiché il modello ha mostrato di simulare efficientemente i processi idrologici osservati in campo, i risultati del modello sono stati utilizzati per il calcolo dei flussi di ricarica della falda, attraverso il metodo del bilancio idrico.
Valutazione della ricarica della falda nel fondovalle: monitoraggio e simulazioni Figura 3. a), b), c), d), Confronto tra valori di umidità del suolo osservata e simulata dal modello in quattro profondità del suolo ed e) valori di precipitazione cumulata e livelli di falda osservati nel sito sperimentale. In figura 4, sono riportati i flussi idrici simulati della ricarica idrica verticale, attraverso il suolo non saturo, e il flusso laterale netto simulato (differenza tra flussi laterali in entrata e in uscita dal profilo verticale di suolo), attraverso la fase satura del suolo. Durante tutto il periodo di simulazione, la ricarica della falda attraverso il suolo non saturo è stata di circa 1000 mm, a fronte di un altezza complessiva di pioggia di quasi 1400 mm (figura 4a). La maggior parte di questa ricarica è avvenuta nei periodi invernali, quando la presenza della falda superficiale ha contribuito a mantenere elevata l umidità negli strati superficiali di suolo. I flussi laterali nella fase satura del suolo hanno avuto un ruolo fondamentale nel determinare la risalita dei livelli della falda all inizio dei periodi piovosi autunnali, come si può osservare negli eventi del novembre 2009 e novembre 2010. Nei periodi invernali, invece, l innalzamento dei livelli di falda dovuti alla ricarica verticale ha causato l instaurarsi di ripidi gradienti idraulici tra la falda e l alveo. Ne consegue un intenso drenaggio laterale verso l alveo, come evidenziato in figura 4b dall andamento negativo dei flussi laterali netti.
M. Pirastru, M. Niedda Figura 4. Confronto tra (a) le precipitazioni e la ricarica idrica verticale e (b) tra i livelli di falda osservati e il flusso idrico laterale netto stimato dal modello di simulazione. 4 CONCLUSIONI Un monitoraggio ambientale è stato effettuato nel fondovalle alluvionale di un bacino idrografico del Nord Sardegna, allo scopo di studiare i processi idrologici del suolo e di quantificare la ricarica idrica della falda superficiale. I livelli di falda, le umidità del suolo e le variabili climatiche osservate per un periodo biennale sono state utilizzate per la simulazione dei flussi idrici del suolo, usando un modello numerico basato sulla risoluzione dell equazione di Richards. Il modello, utilizzando opportune condizioni al contorno, e con parametri idraulici stimati attraverso indagini sperimentali svolte in campo ed in laboratorio, ha simulato efficientemente le umidità osservate in campo. L analisi idrologica effettuata ha mostrato che, per il periodo considerato, i volumi di ricarica hanno rappresentato circa il 70% della precipitazione. La presenza della falda superficiale ha un ruolo fondamentale nel sostenere le elevate umidità nel suolo superficiale, determinando elevati flussi idrici di ricarica nei periodi piovosi. Questi flussi, a loro volta causano rapide e ampie risalite dei livelli idrici, instaurando in tal modo ripidi gradienti idraulici tra la falda del fondovalle e il vicino alveo. Ne derivano intensi flussi idrici di drenaggio laterale dalla falda verso l alveo. I flussi laterali nel suolo saturo hanno importanza anche nell innalzare i livelli della falda agli inizi dei periodi piovosi, quando la falda è alimentata prevalentemente dagli scambi idrici con l alveo e dal rapido flusso sottosuperficiale proveniente dai vicini versanti. BIBLIOGRAFIA Pirastru, M., Niedda, M. Field monitoring and dual permeability modelling of water flow through unsaturated calcareous rocks, Journal of Hydrology, 2010, 392, 40-53. Sophocleous, M. Interactions between groundwater and surface water: the state of science. Hydrogeology Journal, 2002, 10, 52-67 Triska, F.J, Duff, J.H. The role of water exchange between a stream channel and its hyporheic zone in nitrogen cycling at the terrestrial-aquatic interface. Hydrobiologia, 1993,251,167-184. Woessner, W.W. Streams and fluvial plain ground water interactions: rescaling hydrogeologic thought, Ground Water, 2000, 38(3), 423-429.