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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

2

(Idrogeologia: ciclo idrogeologico, ricarica e riserve)

(Todd)

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)


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)


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)


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


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.


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)


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)


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


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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)


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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)


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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.


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


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)


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


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


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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.


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


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.


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

)

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