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1
Ciclo idrogeologico e bilancioCiclo idrogeologico e bilancio
Ricarica e recapito delle acque sotterraneeRicarica e recapito delle acque sotterranee
Riserve e risorse sfruttabiliRiserve e risorse sfruttabili
Le immagini ed i testi rappresentano una sintesi, non esaustiva, dell’interocorso di Idrogeologia tenuto presso il Dipartimento di Scienze Geologiche, Ambientali e Marine
dell’Università di Trieste. Il programma completo prevede, oltre agli argomenti in elenco e per ognicapitolo, una serie di esercizi con applicazione delle formule analitiche, la descrizione di alcuni software
specifici per geostatistica, prove di portata, modellistica ed un’uscita con prove pratiche in un campo pozzi. Le lezioni sono periodicamente aggiornate e controllate. Per una versione definitiva,
informazioni, segnalazione di errori o commenti, rivolgersi a:Dr Alessio Fileccia (Dr Alessio Fileccia ([email protected])
Per scaricare l’intero corso: www.disgam.units.it/didattica/insegnamenti-13.php
(figure e foto sono dell’autore, se non diversamente specificato)
Corso di Idrogeologia ApplicataCorso di Idrogeologia ApplicataDr Alessio FilecciaDr Alessio Fileccia
3
Acque dolci2,59% 0,014%
Vapore acqueo, fiumivegetazione
Umidità del suolo
Laghi
Calotte glaciali65-70%
Oceani 97,41%
Distribuzione dell’acqua nell’idrosfera(Lvovitch 1967, Nace 1969)
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
4
110 390
43070
28
12
evapotraspirazione
precipitazioni
evaporazione
deflussosotterraneo
deflusso
superficiale
40 40
Equazione del bilancio idrico
P = E + R + I
E = Evapotraspirazione = P / 0,9 + P2/L
2
L = 300 + 25 T + 0,05 T3
T = temperatura media annua del luogo
P = precipitazione
R = Ruscellamento superficiale
I = Infiltrazione
D = Deflusso idrico = P – E
c.i.p. = (coefficiente d’infiltrazione potenziale, vedi tabella)
Ie = I x c.i.p. = Infiltrazione efficace
Litologia c.i.p.
%
Litologia c.i.p.
%
Calcari 90 – 100 Lave 90 – 100
Calcari dolomitici 70 – 90 Depositi piroclastici 50 – 70
Dolomie 50 – 70 Piroclastiti e lave 70 – 90
Calcari marnosi 30 – 50 Rocce intrusive 15 – 35
Detriti grossolani 80 – 90 Rocce metamorfiche 5 – 20
Depositi alluvionali 80 – 100 Sabbie 80 – 90
Depositi argillosi 5 – 25 Sabbie argillose 30 – 50
Ciclo globaleCiclo globale
del bilancio idricodel bilancio idrico
e calcolo e calcolo
dei vari parametridei vari parametri
(va
lori in
mig
liaia
di km
c/a
nno
, d
a C
elic
o)
(Civita)
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
5
400
200
0
-40
mm
1936-37
1940-41
1944-45
1948-49
1952-53
1956-57
1960-61
1964-65
1968-69
deflusso superficiale
taglio del bosco
Relazione tra copertura boschiva e ruscellamento superficiale. Il taglio degli alberi
d’alto fusto (1936-37) innesca il dilavamento dei versanti ed un aumento
della portata dei fiumi al fondovalle. Il fenomeno si riduce nel tempo fino
al seguente disboscamento nel periodo 1963-64. (Swank_Helvey)
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
6
stazione di misuradi portata del fiume
Fiume Gasconade
tratto di alveo interessato
da fenomeni di carsismo
settembre 1955
ottobre 1953
portata in cu ft/sec
100
0
50
distanza in miglia
0 9,4 21,6 43,4
La misura della portata del
fiume, a monte ed a valle
della zona di assorbimento
(area carsica), indica il
valore della ricarica della
falda. Nelle varie stazioni la
portata del fiume si riduce
considerevolmente da ovest
verso est, La perdita di
acqua per infiltrazione,
determinata infittendo le
sezioni di misura, fornisce
anche un’indicazione
dell’intensità del carsismo.
(Skelton)
Alimentazione di una faldaAlimentazione di una falda
carsica per infiltrazionecarsica per infiltrazione
da un alveo fluvialeda un alveo fluviale
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
7
S
Calcolo della piovosità mediaCalcolo della piovosità media
per un bacino idrograficoper un bacino idrografico
(metodo dei (metodo dei topoietitopoieti))
S stazione di misura
bacino idrologico
area del bacino
utilizzata per il
calcolo
Per calcolare la piovosità media di un
bacino, unire le stazioni idrologiche
con una rete triangolare. Tracciare la
perpendicolare in corrispondenza
della metà di ogni lato della maglia
ottenendo così dei poligoni. L’acqua
caduta sull’intero bacino è data dalla
somma di quella dei vari poligoni,
ognuna considerata pari a quella
della stazione più vicina od al centro.
Ad esempio il volume di acqua
caduta nell’area in grigio scuro è dato
dal prodotto della superficie del
poligono e dell’altezza di pioggia
misurata in S.
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
8
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
5000
10000
15000
20000
25000
30000
R1
R2
R3
R4
R5
R7R8
R9
R10
R11 R12
F1
F2
F4
R6F3
Isoiete medie Isoiete medie
per il massiccio per il massiccio
del M. Grappadel M. Grappa (1921-50)
R = stazione reale;
F = stazione fittizia, calcolata in
base alla variazione della
piovosità con l’altitudine. Il
volume delle precipitazioni si
calcola moltiplicando l’area tra
due isoiete (in grigio) per la
media della piovosità, indicata
dalle due curve. Il calcolo va
effettuato all’interno del bacino
idrologico definito.
(Bacino idrogeologico della sorg. Tegorzo)
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
9
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14temperatura media annua (periodo 1954-94)
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750Variazione della temperatura dell'aria con l'altitudine
M. Grappa
Foza
SerenCison
Fener Bassanoquota stazione sul mare
Variazione della piovosità con l’altitudine
quota stazione sul mare
piovosità in mm/anno (medie 1921-50)
R1R2 R10
R3
R11 R5 R8
R12
R4
R9
R6
R7
(Bacino idrogeologico della sorg. Tegorzo)
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
10
100 ha
10 lt/sec
ampiezza del bacino della sorgente
100ha
1 lt/sec
10 lt/sec
100 lt/sec
1 mc/sec
10 mc/sec
10kmq
100kmq
1000kmq
10000kmq
portata della sorgente
ricarica annua
0,1 mm
1 mm
10 mm
100 mm
315 mm
1000 mm
Grafico di correlazione tra area
del bacino e ricarica annuale
alla falda. In ascissa la portata
annua delle sorgenti. Non è
considerato il peso dovuto alla
vegetazione, litologia e
pendenza dei versanti (da
Meinzer)
Correlazione tra area del Correlazione tra area del
bacino portata delle sorgentibacino portata delle sorgenti
e ricarica della faldae ricarica della falda
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
11
limite limite
QleQu
Qd
Qdr
Per
Pr Etr
Cap
Qlu
Qperds
strato semipermeabile
Componenti del flusso necessari per il calcolo del bilancio: Pr = acqua di precipitazionePer = è la precipitazione efficace, pari all’acqua che ricarica la falda attraverso l’insaturoEtr = evapotraspirazione da zone con falda subaffiorante (Cap), paludose, e coperte da vegetazioneQper = acqua di percolazione attraverso l’alveo di un corso d’acqua pensileQup = flusso in salita proveniente da un acquifero semi confinatoQd = flusso in discesa dall’acquifero superiore a quello sottostante, attraverso un livello semipermeabileQle = portata laterale in entrataQlu = portata laterale in uscitaQdr = flusso di falda verso i corsi d’acqua superficialids = variazione immagazzinamento
(Qle + Qu + Per + Qper) - ( Etr + Qd + Qdr + Qlu) = ds
Calcolo del bilancio idrico sotterraneoCalcolo del bilancio idrico sotterraneo
(Boonstra, de Ridder)
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
12
Fasi Elementi e parametri considerati Valori
1 Piovosità media annua (P) 987 mm
2 Evapotraspirazione media annua (E) 450 mm
3 Ricarica (P-E) 537 mm
4 c.i.p. copertura permeabile 0.8
5 Infiltrazione efficace 429.6
6 Superficie dell’acquiferoA Affioramenti 15.7 kmq
B Copertura argillosa 36.3 kmq
C Affioramenti in zona urbana 2.5 kmq
D Copertura argillosa in zona urbana 3.2 kmq
7 Calcolo della ricaricaA Da affioramento 15 700 000 x 0.430 6751 x 10
3
B Da copertura argillosa 36 300 000 x 0.537 x 0.3 5848 x 103
C Area confinata assente 0
D Area urbana 2. 500 000 x 0.537 x 0,5 671 x 103
E Area urbana con copertura argillosa
3 200 000 x 0.537 x 0,3 x 0,5 257 x 103
T O T A L E 13527 x 103
m
3/anno
Esempio di calcolo
preliminare della ricarica
di un acquifero alluvionale
molto permeabile
con ruscellamento
superficiale R = 0
e c.i.p. = 0,8
(Brassington)
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
13
Ricarica e recapitoLa funzione di un acquifero è quella di immagazzinare e trasmettere l’acqua.
L’immagazzinamento (S) è possibile nella parte porosa della roccia; lo spostamento
avviene se esistono punti a diverso carico piezometrico, da quello maggiore
(area di ricarica, recharge area) a quello inferiore (area di recapito, discharge area)
La variazione di immagazzinamento in un acquifero è data da:
∆S = ricarica – recapito = entrata – uscita
In condizioni naturali, all’equilibrio ∆S = 0 (si verifica ad esempio se consideriamo
un anno idrogeologico)
La ricarica si verifica dove c’è un serbatoio idrico (una fonte di acqua) che è in contatto
con l’acquifero e lo rifornisce (ad esempio: percolazione verticale da piogge, perdite
laterali o dall’alveo dei fiumi, da laghi, zone umide, o da acquiferi laterali).
Spesso queste zone sono topograficamente elevate, la falda è profonda, il contenuto
di sali basso ma in aumento con la profondità.
Il recapito si verifica dove l’acqua abbandona l’acquifero per ritornare alla superficie
(ad esempio: lungo i fiumi, laghi, zone umide, sorgenti, aree verdi). Spesso queste
zone sono topograficamente depresse, con falda subaffiorante ed acque mineralizzate.
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
14
Acquifero
Acquiclude
Fiume
Zona di ricarica
Acquifero
Acquiclude
Fiume
Zona di recapito
La zona di ricarica presenta un limite
a carico fisso
La zona di recapito presenta un limite
a carico fisso
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
15
Linee di flusso convergenti nelle zone di recapito
Flusso verso le zonea carico piezometrico minore
Il potenziale diminuisceverso il basso
Il potenziale aumenta verso il basso
Linee di flusso divergenti nelle zone di ricarica
50
100
(Hubbert, modificato)
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
16
Fonte Descrizione
Percolazione da acque meteoriche E’ una delle cause principali di alimentazione; l’entità è regolata dall’esposizione
topografica, vegetazione, natura del suolo, litologia, intensità e frequenza delle piogge
Infiltrazione da laghi e fiumi Nelle zone umide dove i livelli freatici sono alti, l’infiltrazione è localizzata e
stagionale; in alcune zone interi tratti di corsi fluviali possono scomparire per
alimentare la falda
Comunicazione con acquifero laterale Un acquifero può essere ricaricato se comunica attraverso una zona permeabile, con un
altro confinante lateralmente; l’entità della ricarica dipende come sempre dalla differenza
di carico idraulico, dal tipo di collegamento e dai parametri idrogeologici
Ricarica artificiale Può essere attuata tramite bacini artificiali poco profondi ma estesi, e pozzi di
infiltrazione; l’irrigazione, le fosse biologiche o le reti fognarie possono essere
considerati sistemi di ricarica (e/o inquinamento) artificiali ma non intenzionali
FONTI DI RICARICA DELLE ACQUE SOTTERRANEE
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
17
Fonte Descrizione
Infiltrazione verso fiumi Lungo alcuni tratti di alveo (e durante certi periodi dell’anno) l’acqua sotterranea può
alimentare i fiumi e mantenerne il corso
Flusso da sorgenti e zone d’infiltrazione Sorgenti, fontanili e zone umide sono localizzate dove la falda interseca la superficie
del terreno
Evaporazione e traspirazione Un acquifero può perdere acqua per evaporazione, quando la falda è prossima alla
superficie (tramite la frangia capillare); lo stesso si verifica tramite le radici delle piante
quando c’è una grande copertura vegetale
Estrazione artificiale Pozzi e dreni sono i principali responsabili dell’abbassamento delle falde
FONTI DI RECAPITO DELLE ACQUE SOTTERRANEE
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
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letto dell’acquifero
risorse sfruttabiliriserve regolatrici
riserve geologiche
livello piezometrico massimo
livello piezometrico minimo
Riserve e risorse sfruttabiliRiserve e risorse sfruttabili(acquiferi porosi)
La gestione e l’utilizzo delle risorse prevede conoscenze geologiche, sui bisogni
idrici, e sulle variazioni piezometriche nel tempo, sia artificiali sia naturali.
Per il calcolo delle riserve è importante conoscere la porosità efficace e
l’immagazzinamento delle falde.
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
19
Valutazione della ricarica per un acquifero alluvionale
FPNB2
NB4
NB7
NB9
NB10
NB11
NB12
SR13
SR14
SR15
AR3
AR4
AR5
C.Martini
5
7
8
10
0 400 800 1200 1600
Fiume PiaveIsofreatiche di piena(equidistanza 2 m)
NB1
FPNB2
NB4
NB7
NB9NB10
NB11
NB12
SR13
SR14
SR15
AR3
AR4
AR5
NB1
C.Martini
5
7
8
10
0 400 800 1200 1600
Fiume PiaveIsofreatiche di magra(equidistanza 1 m)
la redazione della carta piezometrica di piena e di magra, permette di ricavare
lo spessore che annualmente si rinnova; conoscendo l’ampiezza dell’acquifero
e la sua porosità efficace si può calcolare il volume delle riserve regolatrici e quindi
quelle sfruttabili
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
20
0 400 800 1200 1600
FPNB2
NB11
NB12
NB1
7
10
NB4
NB7
NB9
NB10
SR13
SR14
SR15AR3
AR4
AR5
C.Martini5
7
8
10
-10
-10
0
-5
5
Fiume PiaveIso oscillazioni
della falda freatica(equidistanza 5 m)
Zone di ricarica
Sovrapponendo la carte
piezometrica
di piena a quella di magra,
si ricava
su ogni punto di
intersezione delle isolinee
il valore di oscillazione,
utilizzato poi per
la carta a sinistra.
La carta permette di
riconoscere le zone
di maggiore oscillazione
(ricarica) situate
nei vicinanze del fiume.
(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)
21
0 1 2 3 4 5 km
39° 20’
39° 20’
39° 25’
39° 25’
22° 10’
22° 05’
22° 00’
W. Khulays
W. Murwani
W. G
hir a
n
Abbassamentomensile
della faldafreatica
valori medi in cm/mese
(anno 1966-67)
Limite del bacino
010
10
10
10
20
20
20
20
30
30
40
40
20
0 1 2 3 4 5 km
39° 20’
39° 20’
39° 25’
39° 25’
22° 10’
22° 05’
22° 00’
W. Khulays
W. Murwani
W. G
hir a
n
Ricarica della falda
freatica
valori in metri(anno 1966-67)
Limite del bacino
1
1
1
2
2
23
3
4
Zone di ricarica e riserve regolatrici
Nei due periodi in figura sono stati misurate le variazioni di livello statico della falda freatica; in alto durante lastagione secca sono riportate le linee di uguale abbassamento medio mensile in cm, dovuto al pompaggio dei pozzi; in basso sono state ricavate le linee di uguale ricarica della falda durante la stagione piovosa; si nota come le aree con oscillazioni più elevate (zone di ricarica) sono situate vicino al corso degli wadi e poco oltre il loro sbocco dalle valli. (L. Zoppis; Congresso AIH, Palermo 1970, semplificato)
(Id
rog
eo
log
ia:
cic
lo id
rog
eo
log
ico
, rica
rica
e r
ise
rve
)