Rischi ed emergenza nelle Rischi ed emergenza nelle acque sotterraneeacque sotterranee

Giuseppe SappaGiuseppe SappaDip.toDip.to di Idraulica, Trasporti e Stradedi Idraulica, Trasporti e Strade

Tel. 0644585010Tel. 0644585010Email: giuseppe.sappa@uniroma1.itEmail: giuseppe.sappa@uniroma1.it

Argomenti

• Richiami sulle modalità di circolazione delle acque in sotterraneo

• I fattori di pericolo• I criteri di intervento

L’acqua nel sottosuolo

Falda: accumulo di acqua sostenuta alla base da un substrato impermeabile, dotata di moto di filtrazione

Falda libera o freatica

Falda artesiana o in pressione

Che cos’è un acquiferoChe cos’è un acquifero

• il termine “aquifer” (it. acquifero) indica il complesso formazione rocciosa - falda;

• un acquifero dunque è una formazione rocciosa dotata di un grado di permeabilità tale da consentire la circolazione di una falda.

Acquiferi permeabili per porosità

Tutti i terreni dotati di una porosità efficace primaria , ossia le rocce sciolte con granulometriasuperiore ai limi ed alcuni tipi di rocce lapidee formate per blanda cementazione di sedimenti sciolti dalle stesse caratteristiche granulometriche suddette.

• Rocce lapidee:– Tufi vulcanici– Calcareniti

• Rocce sciolte:– Sabbie– Ghiaie– Etc.

Acquifero permeabile per porosità

Acquifero delle duneLegenda

da M. Rossi & G. Sappa

Acquifero delle alluvioniLegenda

da M. Rossi & G. Sappa

Acquiferi permeabili per Acquiferi permeabili per fessurazionefessurazione

Tutti i terreni dotati di porosità efficace secondaria, ossia tutte quelle rocce lapidee che hanno subito una intensa fratturazione per azioni, tettoniche e non

• Calcari• Dolomie• Basalti• Etc.

Acquifero permeabile per fessurazione

Acquiferi permeabili per carsismoAcquiferi permeabili per carsismo

Tutti i terreni dotati di porositàefficace secondaria originata dal processo di dissoluzione

• Calcari carsificabili

• Gessi• Salgemma

Acquifero permeabile per Acquifero permeabile per carsismocarsismo

Peculiarità degli acquiferi carsici

Epicarso

Inghiottitoio

Il saturo

Infiltrazione

Modalità della circolazione idrica in sotterraneo

Esperienza di Darcy

il volume d'acqua che attraversa una colonna di sabbia è direttamente proporzionale al carico ed inversamente proporzionale alla lunghezza della colonna, attraverso un coefficiente di proporzionalità K

Z=0

z2 z1 h2 h1

θ

L’approccio di Darcy

E’ un approccio macroscopico che rappresenta un mezzo poroso come uncontinuo per il quale si possono definire parametri macroscopici come laconduttività idraulica, e utilizzare leggi macroscopiche come quella di Darcy per ottenere descrizioni macroscopicamente medie del comportamento microscopico

La legge di DarcyK × S × H

Q = = K × S × ie

Q = portata di deflusso (m3/s)H = carico idraulico (m)S=superficie della sezione attraversata (m2)K =coefficiente di proporzionalità (m/s)e = spessore della colonna di sabbia (m)i=gradiente idraulico(H/e adimensionale).

Legge di Darcy

• v = Q/S = K * i• v = portata specifica (velocità

apparente)• K è definito da Darcy “conducibilità

idraulicaKi

K = γ × µ

Ki

K = γ × µ

• γ è il peso specifico del liquido filtrante

• µ è la viscosità del liquido filtrante (variabile con la temperatura).

Le dimensioni di v suggeriscono che v rappresenti una velocità, MA NON E’ COSI’. Si tratta di una portata per unità di area, non di una vera velocità.

L’unità di area è composta di solido e di liquido:solo l’area relativa occupata dal liquido è evidentemente efficace ai fini del flusso.

Se noi volessimo conoscere la velocità reale del fluido dovremmo dividere la portata (Q) per l’area della sezione filtrante occupata dal fluido:

Definiamo η come il rapporto tra l’area occupata dal fluido (Aw) e l’area totale della sezione del cilindro riempito di sabbia (A)

η=AAw

La velocità media reale del fluido attraverso i pori risulta:

O semplicemente:

dl

Tale velocità reale risulta > della velocità di Darcy

dl

Le componenti di una sabbia

MATRICEFRAMEWORK

(QUARTZ)

FRAMEWORK(FELDSPAR)

CEMENTO

Meati

Note different use of “matrix”by geologists and engineers

0.25 mm

1. Framework2. Matrix3. Cement4. Pores

Engineering“matrix”

Geologist’s Classification

Il moto di filtrazione delle acque sotterraneeThe tortuous path of groundwater molecules through an aquifer affects the hydraulic conductivity. How do the followingproperties contribute to the rate of water movement?

• Clay content andadsorptive properties

• Packing density• Friction• Surface tension• Preferred orientation

of grains• Shape (angularity or

roundness) of grains• Grain size• Hydraulic gradient

Modalità di deflusso delle acque sotterranee

• Acquiferi porosi– v = 0 ÷1 m/h

• Acquiferi fessurati– v = 1 ÷ 100 m/h

• Acquiferi carsici– v = 100 ÷ 1000 m/h

La legge di Darcy è valida solo in regime laminare (numero di Reynolds)

• Mezzi porosi

Re < 1

• Mezzi fessurati

Re < 800

La rappresentazione della circolazione delle acque sotterranee

0.02.7

5.3

0.1 8.4

11.6

13.013.013.0

22.0

6.0

14.0

2.52.1

2.51.0

1.00.8

0.6

0.8

8.0

3.0

0.0

2.0

7.0

5.2

4.07.0

6.0

10.5

6.59.7

21.8

1.0

1.83.0

15.5

6.5

6.5

40.5

12.010.0

2.5

23.0

32.0

13.5

43.0

12.5

4.5

8.5

19.5

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

La superficie piezometrica è l’inviluppo delle linee isofreatiche

La storia“La vulnerabilità intrinseca è la

possibilità di penetrazione e propagazione,in condizioni naturali, nei serbatoi naturali ospitanti la prima falda generalmente libera, di inquinanti provenienti dalla superficie.” (Margat & Albinet, 1970)

Besancon (Francia)

Una definizione italiana(CNR – GNDCI Linea 4)

ü “La vulnerabilità intrinseca o naturale degli acquiferi è la suscettibilitàspecifica dei sistemi acquiferi, nelle loro diverse parti 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)

Nella cultura tecnica tradizionale…

la vulnerabilità è una caratteristica delle strutture ed infrastrutture antropiche, che sono il bene da tutelare, nei confronti:

– Degli eventi meteorici eccezionali– Delle esondazioni– Dei fenomeni sismici– Dei fenomeni franosi– degli agenti naturali e degli eventi da essi

causati.

Negli studi ambientali, il concetto si capovolge….• la vulnerabilità è una caratteristica degli acquiferi, rispetto alle attività antropiche, perché questi costituiscono la risorsa da tutelare, come presupposto per la conservazione della specie umana.

Le carte di vulnerabilità degli acquiferi sono:

• Uno strumento di previsione dell’impatto ambientale di un’opera nella fase costruttiva e/o in esercizio

Le carte di vulnerabilità degli acquiferi sono:

Topografia

Litologia

Soggiacenza

Conducibilità idraulica

Uno strumento di pianificazione per la classificazione del territorio al fine di definire le possibilità di sfruttamento

Pericoli per le acque sotterranee

I principali fattori di pericolo(Hazards)

• Pozzi• Serbatoi interrati• Attività industriali• Attività estrattive• Collettori, fognari e non

Trasporto inquinanti in sotterraneo

• Avvezione• Diffusione• Dispersione

Il trasporto tridimensionale di un inquinante in falda

( )∑

=+⋅+

∂⋅∂

−∂

∂∂

⋅∂

=∂∂ n

kks

s

i

i

i

jij

RCq

xCv

x

xCD

tC

1θ

Il trasporto tridimensionale di inquinante in falda

C è la concentrazione dell’inquinante dissolto nell’acqua di falda [ML-3]

t è il tempo [t] xi è la i-esima coordinata cartesiana [L] Dij è il coefficiente di dispersione [L2t-1] vi è la velocità dell’acqua nel mezzo poroso nella direzione dell’i-

esimo asse [Lt-1] qs è la portata volumetrica per unità di volume di acquifero,

rappresentante sorgenti o pozzi [t-1] Cs è la concentrazione relativa alla sorgente o al pozzo [ML-3] θ è la porosità del mezzo, ed è una grandezza adimensionata

∑=

N

kkR

1

è il termine relativo alle reazioni chimiche [ML-3t-1]

Sversamentosolventi

clorurati

DNAPL

Acquifero superficiale

Solventi clorurati disciolti

Ingrandimento dei contaminanti NAPL intrappolati nei pori e nelle particelle di sedimenti

Volatilizzazione

Biodegradazione

DNAPL

Dispersione & Diluizione

Acquifero semiconfinato

Plume dei soventi clorurati disciolti

Strato areato superficiale

Quando c’è emergenza

• Se è a rischio la potenzialità di un acquifero

• Se è a rischio la qualità delle acque sotterranee

Modello convenzionale per l’analisi di uno sversamento

10/12 m

50 m

Modello di diffusione di inquinanti in falda

Modello di diffusione di inquinanti in falda

I fattori di rischio(a breve termine)

• Depauperamento della falda

• Degrado qualitativo della risorsa idrica

PozziPozzi• Fattori di pericolo

– Difetti di costruzione

– Difetti di funzionamento e manutenzione

– Abbandono

• Ricettori di pericolo– Opere di captazione

La gestione dell’emergenza

Definizione del contesto idrogeologico

Stima dei tempi di propagazione

Identificazione delle sorgenti di pericolo

Definizione delle modalità di intervento

Criteri di intervento

• Interventi passivi– Interrompono la fruibilità della risorsa

ed affidano al potere autodepurativodell’acquifero nel tempo il recupero quantitativo e qualitativo

• Interventi attivi– Agiscono sulla concentrazione del

fattore di contaminazione per risanare la risorsa

Roma – Pozzi ACEA di Tor Pagnotta

• Costruzione 1986• 1992: le analisi

hanno dato un eccesso di trielina

• Alcune lavanderie in zona

• Interruzione dell’esercizio (intervento passivo)

Il profilo geologico

Alimentazione

•Sorgente Sanità (Qmax 4.5 m³/s, Qmin 3 m³/s)

• Gruppo di Cassano Irpino (Qmax 3.7 m³/s, Qmin 1.6 m³/s)

Andamento delle portate

0

100

200

300

400

500

600

700

800

385 400 415 430 445 460 475 490 505 520 535 550 565 580 595 610

Progressiva (m)

Port

ata

(l/s)

Intervento passivo

Interventi attivi

• Air Sparging: iniezione di gas (solitamente aria o ossigeno) sotto pressione in pozzo installato all'interno della zona satura per volatilizzare gli agenti inquinanti.– Gli agenti inquinanti volatilizzati migrano verso l'alto e

sono rimossi prima di raggiungere la zona vadosa, attraverso l'estrazione del vapore dal terreno. E’ più adatta per gli agenti inquinanti organici volatili in materiali geologici di permeabilità relativamente media a elevata.

Interventi attivi• Fratturazione con esplosivo: è una tecnica usata in

formazioni rocciose permeabili per fratturazione, per migliorare il tasso e la prevedibilità del recupero di acqua freatica contaminata generando "le trincee di frattura" o le zone altamente fratturate attraverso la detonazione degli esplosivi in pozzi trivellati (shotholes). Si distingue dalla frattura idraulica o pneumatica in quanto queste altre tecnologie non coinvolgono gli esplosivi.

Interventi attivi

• Pozzi Direzionali: sono i pozzi orizzontali a qualsiasi inclinazione non-verticale allo scopo di monitorare o risanare le acque sotterranee. Sono particolarmente indicati quando il plume dell'agente inquinante riguarda una grande zona ed ha geometria lineare, o quando le ostruzioni di superficie sono presenti.