idrog

Universit degli Studi di Trieste

Corso di Idrogeologia Applicata

a.a. 2012/2013

Luca ZiniTel. 0405582038E-mail [email protected]

SOMMARIOParte Prima, I principi: Genesi delle risorse idriche -

L'acquifero - Dinamica del sistema acquifero -Identificazione dei sistemi acquiferi - Identificazione strutturale dei sistemi acquiferi.

Parte Seconda, I metodi: Rilevamenti e prospezioni idrogeologiche - Geochimica e qualit delle acque sotterranee - Cartografia tematica idrogeologica -Tecnica di progettazione degli accessi alle acque sotterranee - Prove in situ sugli acquiferi.

Parte Terza, Le applicazioni: Impianti di produzione e di ricarica delle acque sotterranee - Le sorgenti: studio, progettazione e protezione delle opere di captazione - Protezione delle risorse idriche sotterranee -Applicazioni ai problemi di geo-ingegneria: le grandi opere in sotterraneo - Applicazione ai problemi di geo-ingegneria: le gallerie - Applicazione ai problemi d'ingegneria del territorio.

Appendici: I principali complessi idrogeologici delle regioni italiane - Metodologia per la valutazione della ricarica attiva degli acquiferi - Uso del GPS nei rilevamenti e nei censimenti - Tabelle e Schede -Acronimi e glossario - Centri di pericolo e simbologia delle Carte della Vulnerabilit.

Il ciclo dellacqua

LA RISORSA ACQUA

Il World Resources Institute valuta che:

41.000 miliardi di m3 di acqua dolce disponibile

32.000 ritornano al mare e/o assorbiti dalla vegetazione

9.000 miliardi di m3 disponibili per luomo

Risorse idriche globali

UUBBIICCAAZZIIOONNEE VVOOLLUUMMEE ((KKMM33)) %% SSUULL TTOOTTAALLEE OOcceeaannii 11 ..333388 ..000000 ..000000 9966 ,,55337799 AAcc qquuee ddii ss uu ppeerrffiicciiee 118899 ..999900 00 ,,00113377

FFiiuu mmii 22 ..112200 00 ,,00000011 LLaagghhii 118877 ..887700 00 ,,00113355

AAcc qquuee ss ootttteerrrr aanneeee 2233 ..440000 ..000000 11 ,,66888833

GGhhiiaacccciiaaii ((ccoommpprreess oo ppeerr mmaaffrrooss tt)) 2244 ..336644 ..110000 11 ,,77557799 AAtt mmooss ffeerraa 1122 ..990000 00 ,,00000099

SS uuoolloo 1166 ..550000 00 ,,00001122

RRiiss oorrss ee ttoott aall ii 11 ..338855 ..998833 ..449900 110000 ,,00000000

Una risorsa sempre piUna risorsa sempre pi limitatalimitata

1 tonnellata pane 1 tonnellata pane -- 2.500 litri2.500 litri

1 tonnellata carta 1 tonnellata carta -- 130.000 litri130.000 litri

1 tonnellata acciaio 1 tonnellata acciaio -- 100.000 litri100.000 litri

1 tonnellata alluminio 1 tonnellata alluminio -- 1.000.000 litri1.000.000 litri

Il consumo mondiale triplicherIl consumo mondiale triplichernei prossimi 30 anninei prossimi 30 anni

1 tonnellata patate 1 tonnellata patate 500.000 litri500.000 litri1 tonnellata soia 1 tonnellata soia 2.000.000 litri2.000.000 litri

1 tonnellata birra 1 tonnellata birra 15.000 litri15.000 litri

Consumi dacqua in Italia

Il fabbisogno idrico complessivo si aggira oggi sui 65 miliardi di

m3/anno

Stima delle perdite %Val DAosta 32,6 %Piemonte 20,1 %Lombardia 18,4 %Trentino Alto Adige 35,1 %Veneto 29,4 %Friuli Venezia Giulia 27,4 %Liguria 24,5 %Emilia Romagna 24,5 %Marche 30,0 %Umbria 30,3 %Lazio 30,3 %Abruzzo 33,0 %Molise 46,0 %Campania 30,3 %Puglia 33,6 %Basilicata 32,9 %Calabria 29,5 %Sicilia 29,9 %Sardegna 40,2 %

COSTO MEDIO AL m3

Germania 1,78 / m3Italia 0,72 / m3USA 0,61 / m3Sudafrica 0,40 / m3

1,5 miliardi di persone non hanno accesso allacqua potabile2,6 miliardi di persone non hanno la quantit media

indispensabile (40-100 l/giorno persona)

Definizioni

Acquifero corpo geologico costituito da una fase solida porosa nella qualecircola una fase liquida. Limportanza di un acquifero insita nella capacit di immagazzinare acqua che pu essere restituita in modo naturale o artificiale.

La circolazione idrica sotterranea pu avvenire con modalit differenti in funzione dalle propriet idrogeologiche delle singole rocce dei rapporti geometrici con gli altri acquiferiecc.

Acquiferi porosi Acquiferi fessurati (e carsici)

Costituiti da materiale sciolto

Depositi di duna, coltri di alterazione (per es. di arenarie), depositi morenici, depositi marini recenti, depositi lacustri, depositi piroclastici, depositi alluvionali.

Costituiti da ammassi rocciosi permeabili per fratturazione e/o carsismo

I pi importanti sono rappresentati dagli acquiferi carbonatici.

Una STRUTTURA IDROGEOLOGICASTRUTTURA IDROGEOLOGICA (idrostruttura) un'unit geologica, con geometria composta da due o pi complessi idrogeologici, disposti in modo tale da favorire la formazione di uno o pi acquiferi. Essa identificata da limiti strutturali e/o idrodinamiciche devono essere riconosciuti con la migliore precisione possibile.

Un LIMITE LIMITE DIDI PERMEABILITPERMEABILIT corrisponde a un piano o ad una zona di passaggio tra due complessi idrogeologici, il pi permeabile dei quali (acquifero) giace su quello dotato di minore permeabilit relativa. La geometria del limite di permeabilit sempre congruente con la direzione del flusso sotterraneo: esso, dunque, pi o meno complanare al gradiente idraulico che sostiene il flusso. Qualora la geometria del termine di passaggio tra due complessi idrogeologici diversi tale da opporsi alla direzione prevalente del flusso, essa determina una soglia di permeabilit.

Un acquifero delimitato a tetto ed a letto da livelli sostanzialmente impermeabili dettoCONFINATO O IN PRESSIONECONFINATO O IN PRESSIONE quando la quota di livellamento piezometrico maggiore di quella della base del confinante superiore. Quando la superficie piezometrica libera nei suoi spostamenti verticali, mancando alcun elemento confinante superiore,l'ACQUIFEROACQUIFERO detto LIBEROLIBERO.

Un ACQUIFEROACQUIFERO SEMISEMI--CONFINATOCONFINATO quando riceve (o cede) acqua da un altro acquifero sovrastante (o sotto-stante) dal quale separato da un livello a bassa permeabilit, sovente limitato spazialmente (lenti o livelli discontinui).

Definizioni

Uno dei passi fondamentali nella valutazione della risorsa idrica allinterno di unidrostruttura consiste nella valutazione del ruolo degli elementi geologici meno permeabili che possono anche rappresentare i confini dellidrostrutturastessa.

Gli elementi geologici caratterizzati da minore permeabilit relativa possono fungere da acquitardo o acquiclude.

Acquitardo - formazione geologica che pu contenere acque sotterranee (quindi pu essere considerata un acquifero) ma non in grado di trasmetterle in quantit significative per effetto di un gradiente idraulico normale.

Acquiclude formazione geologica caratterizzata da permeabilit molto bassa che impedisce la trasmissione dellacqua. Rappresentano spesso i limiti delle idrostrutture e talvolta condizionano la fuoriuscita dellacqua dalle stesse.

Successione stratigrafica Successione idrogeologica

Formazioni geologiche

Complessi idrogeologici

ACQUITARDO

ACQUICLUDE

ACQUIFERO

ACQUICLUDE

Sistema multifalda

le falde si riempiono finch

la fascia delle risorgive funziona da troppo pieno

Sezione schematica

La DIREZIONE DIREZIONE DIDI FLUSSOFLUSSO caratterizza vettorialmente lo spostamento dell'acqua sotterranea di un acquifero lungo le linee di massimo gradiente, descrivendone direzione e verso di spostamento. La definizione applicabile anche ai complessi fessurati e carsici, dove le direzioni del flusso sono, per, fortemente condizionate dalle giaciture dei meati (fratture, condotti) e dai loro rapporti con il gradiente topografico locale.Per SPARTIACQUE SOTTERRANEOSPARTIACQUE SOTTERRANEO fisso s'intende un elemento idrostrutturale, geologico o idrodinamico, che suddivide il flusso idrico sotterraneo in direzioni diverse, la posizione spaziale del quale rimane costante nel tempo. Uno SPARTIACQUE SOTTERRANEO MOBILESPARTIACQUE SOTTERRANEO MOBILE, invece, essenzialmente d'origine idrodinamica: la sua esistenza e posizione dipendono dal regime del processo ricarica-discarica del corpo idrico sotterraneo d'interesse o/e dalla distribuzione spazio-temporale dell'alimentazione. Gli spartiacque coincidono spesso con i limiti di struttura, laddove piuttosto raro che essi coincidano con gli spartiacque morfologici (o limiti di bacino idrografico).Un TRAVASO INTERSTRUTTURALE O TRA ACQUIFERITRAVASO INTERSTRUTTURALE O TRA ACQUIFERI diversi corrisponde alla zona nella quale acque sotterranee proprie di un'idrostruttura passano in un'altra, adiacente. Qualora i travasi caratterizzano parti non facilmente identificabili di un'idrostrutturacomplessa, poste in serie o in parallelo, esse prendono il nome di serbatoi semi dipendenti, in acronimo SERSEM. Le strutture a SERSEM alimentano singole aree d'emergenza o recapiti, dei quali influenzano in modo particolare il regime idrogeologico e idrogeochimico.

Definizioni

L'AREA L'AREA DIDI EMERGENZA O EMERGENZA O DIDI RECAPITORECAPITO una zona (anche molto ristretta) nella quale si determinano situazioni strutturali tali da comportare la venuta a giorno (sorgenti, affioramenti della superficie piezometrica) e/o il passaggio di acque sotterranee nel reticolo drenante o nei corpi idrici superficiali (fiumi, laghi, mare).Un ACQUIFERO MONOSTRATOACQUIFERO MONOSTRATO o unico costituito dall'insieme di corpi litologici simili ma non necessariamente uguali (es. alluvioni a tratti prevalentemente ghiaiose, a tratti prevalentemente sabbiose) che ospitano un flusso sotterraneo complesso ma unico in termini d'alimentazione e di distribuzione dei carichi piezometrici.Un ACQUIFERO MULTILIVELLOACQUIFERO MULTILIVELLO costituito da una serie idrogeologica che presenta alternanze di mezzi acquiferi e di livelli impermeabili o poco permeabili di estensione limitata e discontinua (es. lenti limoso-argillose). Localmente spesso interpretato come multiacquifero, esso facilmente distinguibile per le quote di livellamento sostanzialmente uguali e per le caratteristiche idrochimiche identificative, anche esse denotanti una sostanziale unitariet di facies e di alimentazione.Un MULTIACQUIFEROMULTIACQUIFERO , invece, dovuto alla sovrapposizione di acquiferi diversificatiper pressione piezometrica (dunque, per quota di livellamento), per caratteristiche idrodinamiche e idrochimiche e per alimentazione, spesso molto diversa.L'INTERFACCIA ACQUA DOLCE/ACQUAL'INTERFACCIA ACQUA DOLCE/ACQUA salata l'elemento idrostrutturale che caratterizza il rapporto che s'instaura nelle zone costiere, ove l'acqua dolce fluente nell'acquifero viene a trovarsi in condizioni d'equilibrio con l'acqua sotterranea marina, pi densa.

Definizioni

Esempi di idrostrutture: acquiferi porosi

Idrostrutture la cui complessit dovuta a motivi stratigrafici. Vari complessi idrogeologici risultano sovrappposti pi o meno disordinatamente.

a. Depositi morenici e alluvionali con intercalazioni di depositi lacustri a minore pemeabilit relativa

b. Tipica sequenza di ambiente prevalentemente marino, salmastro e palude

d. Struttura derivante dalla deposizione di materiale piroclastico.

c. Serie plio pleistocenica delle Marche. Sedimentazione pi regolare con acquiferi picontinui.

Da Celico (1986)

Esempi di idrostrutture: acquiferi fratturati

Idrostrutture complicate dalla tettonica

a. Blocchi carbonatici sovrascorsi su depositi impermeabilib. Struttura dolomitica tettonicamentesovrapposta ad unaltra costituita da unalternanza di complessi idrogeologici permeabili ed impermeabili

d. Struttura sinclinalica dove la geometria di un complesso impermeabile, in assenza di discontinuit strutturali condiziona laccumulo e lemergenza delle acque sotterranee.

c. Idrostrutture carbonatiche isolate dallinterposizione di depositi impermeabili

ACQUIFEROFormazione rocciosa o sedimentaria SATURA in acqua e sufficientemente permeabile da consentire un flusso. E costituito da tre componenti:

-Formazione rocciosa;

-Vuoti;

-Acqua sotterranea contenuta nei vuoti.

Lacquifero pu essere descritto mediante lausilio di:

Parametri STATICI: non dipendono dalla dinamica del fluido.- Porosit (per essere un serbatoio dacqua, la roccia non pu essere compatta, bens deve possedere dei vuoti) ;- Grado di saturazione (stima della quantit dacqua contenuta in un dato volume) ;- Pressione (rapporto tra pressione atmosferica e tensione superficiale dellacqua).

Parametri DINAMICI: dipendono dalla dinamica del fluido.- Conduttivit idraulica o coefficiente di permeabilit;- Trasmissivit;- Coefficiente di immagazzinamento specifico.

ParametriPOROSIT: una caratteristica di estrema variabilit che dipende dal numero, dalle dimensioni, dalla forma e dalla disposizione spaziale dei meati. esprime lattitudine che ha una roccia ad immagazzinare ed a liberare lacqua. Solitamente espressa in percentuale

Si parla di porositporosit primariaprimaria quando i meati si sono formati contemporaneamente alla roccia che li contiene. Essi sono legati ai processi di deposizione e di diagenesi.

La porositporosit secondariasecondaria quella che si genera successivamente alla formazione della roccia. E espressione della fratturazione, della fessurazione, delle dissoluzioni chimiche, delle variazioni termiche, dellerosione meccanica, ed legata ai processi tettonici, metamorfici, allazione degli agenti esogeni, ecc.

t

v

VV

100n =t

v

VVn 100= Vv = volume dei vuotiVt = volume totale

PARAMETRI STATICIPOROSITA

Porosit =

Nei sedimenti (e con apposite considerazioni anche nelle rocce) la porosit dipende da:

a. Scala dellosservazione e tipologia di materiale;

b. Coefficiente di uniformit;

c. Grado di compattazione;

d. Disposizione e forma dei grani;

e. Intercomunicazione dei vuoti;

f. Volume rappresentativo elementare

Vv = volume di vuoti

Vt = volume totale


a. Scala dellosservazione e tipologia di materiale

Scala Tipologia di vuoti Tipo di mezzo

MicroscopicaPori Intergranulari (tra i grani) e intragranulari (nei grani) Poroso ContinuoMicrofessure Diaclasi, giunti, scistosit

FessuratoMacroscopica Macrofessure

MacrofessureDiscontinuo

Canali e cavit carsiche


Porosit INTERgranulari

Porosit INTRAgranulari

Porosit microscopica


Porosit macroscopica; fratture aperte


Porosit macroscopica; cavit carsiche


60%

10%

60%

10%

b. Coefficiente di uniformit =del sedimento

Nei sedimenti i granuli hanno dimensioni diverse => per classificarli uso le

CLASSI GRANULOMETRICHE

= diametro del 60% della curva granulometrica cumulativa

U piccolo ( tendente a 1) = sedimento BEN CLASSATO

U grande = sedimento MAL CLASSATO


Curva granulometrica cumulativa

Curva granulometrica cumulativaSi costruisce a partire dai dati granulometrici di un sedimento (diametri dei grani; setacciatura o bilance di sedimentazione).

In ascisse si pongono i diametri delle granulometrie dei sedimenti in scala semilogaritmica (il semilog permette di migliorare la visualizzazione dei dati); sullasse delle ordinate si collocano le percentuali cumulate dei pesi delle diverse classi granulometriche.

Es. considero un sedimento con:

Ghiaia 10% 100% (10%+40%+25%+15%+10%)

Sabbia grossa 15% 90% (10%+40%+25%+15%)

Sabbia fine 25% 75%(10%+40%+25%)

Limo 40% 50%(10%+40%)

Argilla 10% 10%

Granulometria Percentuale in peso Percentuale cumulata


Falda di detrito;

Deposito mal classato formato da ciottoli di varie dimensioni;

Coefficiente di uniformit ALTO.


Ghiaia;

Deposito ben classato formato da ciottoli +/-delle stesse dimensioni;

Coefficiente di uniformit BASSO.


In generale, un sedimento BEN classato (A) presenta una porosit pi alta rispetto ad un sedimento MAL classato (B).

(A)

Sedimento BEN classato

Porosit + ALTA

(B)

Sedimento MAL classato

Porosit + BASSA


Caso 1: cubo = porosit massima

Caso 2: romboide = porosit minima

c. Grado di compattazione


d. Disposizione e forma dei grani

Disposizione regolare: generalmente porosit ridotta

Disposizione casuale/irregolare: generalmente porosit alta


e. Intercomunicazione dei vuoti

Ghiaia: vuoti intercomunicanti

Travertino: no intercomunicazione tra i vuoti


f. Volume rappresentativo elementare (VRE)

E il pi piccolo volume a n omogenea scelto sulla base della scala del lavoro; pi fine il sedimento, pi piccolo il VRE.


Dal punto di vista genetico, porosit pu essere suddivisa in:

P. SECONDARIA: successiva alla formazione del materiale (Es. fratture, faglie, dissoluzione, alterazione, metamorfismo, azione agenti esogeni,).

P. PRIMARIA: legata alla deposizione o alla formazione del sedimento e della roccia (Es. rocce effusive, sabbie); gli interstizi si generano durante i processi di deposizione e diagenetici.


P. PRIMARIA: legata alla deposizione o alla formazione del sedimento e della roccia (Es. rocce effusive, sabbie); gli interstizi si generano durante i processi litogenetici.

Ghiaia: vuoti intercomunicanti

Roccia effusiva: vacuoli da degassazione


P. SECONDARIA: successiva alla formazione del materiale (Es. fratture, faglie, dissoluzione, alterazione, metamorfismo, azione agenti esogeni,).

Fratture Dissoluzione carsica

PARAMETRI STATICIGRADO DI SATURAZIONE

Grado di saturazione =Vw = Volume dacqua

Vp = Volume pori

Stato del mezzo Grado di saturazione (%)

Secco 0

Leggermente umido 1-25

Umido 25-50

Bagnato 50-75

Molto bagnato 75-99

Saturo 100

In un mezzo SECCO lo 0% dei pori riempito dacqua;

In un mezzo SATURO pi del 99% dei pori riempito dacqua.


Vw = Vg + VrVg = Volume dellacqua GRAVIFICA

Vr = Volume dellacqua di RITENZIONE

Acqua GRAVIFICA (o LIBERA): sono tutte le acque che si muovono per gravit o per un Pressione applicata (P).

Acqua di RITENZIONE: sono acque che NON sono libere di muoversi rispetto alla forza di gravit.


Lacqua di ritenzione

IGROSCOPICIT: la capacit delle rocce asciutte di assorbire lacqua nellaria allo stato di vapore attorno ai propri granuli. Si estrae a temp. di 105-110C.

-Acqua IGROSCOPICA: interna al grano ed attorno allo stesso per uno spessore massimo di 0,1 m;

CAPACITA DI RITENZIONE: la capacit di trattenere acqua per fenomeni di adesione (sullacqua igroscopica) -si estrae per centrifugazione- e capillarit.

- H2O PELLICOLARE: spessore massimo di 1-2 m;

- H2O CAPILLARE: funzione della tensione superficiale dellacqua: raggiunge spessori che variano da 1 m a qualche mm.


Le acque igroscopiche e pellicolari vengono trattenute per mezzo di fenomeni elettrici; lacqua capillare, invece, viene trattenuta grazie alla tensione superficiale dellacqua (fenomeno fisico).

Igroscopica

Pellicolare

Capillare Gravifica

F attrazione

D distanza dal grano

Acque di ritenzione

RIPARTIZIONE DELLACQUA NEL SOTTOSUOLO

Zona di saturazione: tutti i meati sono saturi.Zona di aerazione: dove circolano acqua e aria nello stesso tempo.

Falda lacqua che circola nella zona di saturazione.

La superficie che separa acqua ed arie detta superficie piezometrica.

La frangia capillare caratterizzata dalla presenza dacqua capillare continua e sospesa, ed idraulicamente legata alla superficie piezometrica.

Zona di evapotraspirazione: quella pi superficiale, dove lacqua pu essere riportata in atm per lazione combinata di evaporazione e traspirazione.


Grado di saturazione = =

Il Grado di saturazione non va confuso con il Contenuto volumetrico in acqua:

Cont. Vol. in acqua = VT = Volume Totale

Non tutta l'acqua che satura un mezzo roccioso sfruttabile.L'acqua contenuta in una roccia satura (pari alla porosit tot. nt) si sudddivide in 2 parti: la capacit di ritenzione specifica (nr) e la porosit utile o portata specifica (nu)


nt = Porosit totale

nu = Porosit utile o portata specifica

nr = Ritenzione specifica

= la parte dacqua che pu essere effettivamente estratta


Es. nt = 30%

OSSERVAZIONI:

- Le granulometrie grossolane hanno pi portata specifica delle fini;

- Il materiale fine presenta maggiore ritenzione specifica in virt della maggior superficie specifica rispetto alle granulometrie pi grossolane.


Valori indicativi di porosit totale e portata specifica per diversi litotipi


Sedimento Porosit Portata Specifica

Ghiaia Media Altissima (quasi tutta la porosit Portata specifica)

Argilla Altissima Bassissima (quasi tutta l'acqua di ritenzione)

-

+

PARAMETRI STATICIPRESSIONE

Considero un acquifero libero

Sup. piezometrica PH2O nei pori = Patm

PH2O nei pori < Patm

PH2O nei pori > Patm

Zona vadosa

Zona satura

Frangia capillare


Nella frangia capillare la pressione atmosferica maggiore della pressione dellacqua; tuttavia le caratteristiche fisiche del fluido ed il diametro dei meati fanno si che vi sia un certo quantitativo di acqua (generalmente superiore al 75%) che si muove in senso verticale congiuntamente alle fluttuazioni della superficie piezometrica.

hc = risalita capillare

= tensione superficiale

= angolo di menisco

= densit del fluido

r = raggio del tubo capillare

g = accelerazione di gravit

SedimentoDiametro dei grani

(cm)Diametro dei pori

(cm)Risalita

capillare (cm)

Limo fine 0.0008 0.0002 750

Limo grossolano 0.0025 0.0005 300

Sabbia fine 0.015 0.003 50

Sabbia grossa 0.05 0.01 15

Ghiaia fine 0.5 0.1 1.5

NB: nei sedimenti il diametro dei pori circa 1/5 del diametro dei grani.

OSSERVAZIONE: la risalita capillare maggiore nei sedimenti FINI rispetto alle granulometrie grossolane (in pratica lo spessore della frangia capillare ha uno spessore che varia in ragione inversa alla granulometria).

PARAMETRI DINAMICI

Parametri DINAMICI: dipendono dalla dinamica del fluido.

- Conduttivit idraulica o coefficiente di permeabilit;

- Trasmissivit;

- Coefficiente di immagazzinamento specifico.

PARAMETRI DINAMICICONDUTTIVITA IDRAULICA

La conduttivit idraulica (o coefficiente di permeabilit) viene spesso erroneamente chiamato Permeabilit. Per spiegare la differenza tra questi due parametri necessario partire dalla Legge di Darcy: questa legge descrive il moto di un fluido (generalmente lacqua) in un mezzo poroso.

A = sezione del cilindro

Misuratore di portata ( Q )

h1

h2

Legge di Darcy:

Portata = Q = KA [(h1-h2)/L] = [m/s]

L = lunghezza del cilindro con campione

NB: h varia con Lh/L= i = perdita di carico idraulico o GRADIENTE IDRAULICO

Il - indica che per convenzione il flusso diretto verso lh inferiore

In pratica Darcy not che la portata Qattraverso una sezione retta del mezzo (A) direttamente proporzionale alla perdita di carico idraulico ( h/L=i ) ed inversamente proporzionale alla lunghezza del percorso nel mezzo poroso (L); K la costante di proporzionalit ed un coefficiente legato alla natura del mezzo stesso


105

101

3250

ESERCIZIOGRADIENTE IDRAULICO

L

P2

P1

s2

s1

h1h2

Livello medio mare

Sup. piez.

L=distanza tra i piezometri=1200 m

S1=soggiacenza acqua in P1=2,2 m

S2=soggiacenza acqua in P2=3,5 m

Quota piano campagna P1=115 m slm

Quota piano campagna P2=114,5 m slm

Gradiente idraulico i =?

Calcolo la quota assoluta della piezometrica nei due pozzi (h1 e h2)

h1 = 115 - 2,2 = 112,8 m slm

h2 = 114,5 - 3,5 =111 m slm

Gradiente idraulico i = (h1 - h2) / L=(112,8 - 111) / 1200 = 0,0015


Risolvendo lequazione precedente, otteniamo

Conduttivit idraulica o coeff. di permeabilit

= = [m/s]

NB: dimensionalmente una velocit

Il rapporto Q/A prende il nome di Velocit di filtrazione (specific discharge) ed indicato con la lettera v; essa in realt una velocit apparente che non tiene conto della matrice solida (come se il flusso fosse attraverso un condotto libero).

E necessario, quindi, inserire un parametro che tenga conto della reale disponibilit di spazio per il flusso attraverso il materiale => considero una

Velocit di filtrazione effettiva

=

nu = portata specifica


A Anu

In realt, allinterno di un acquifero, la ve (velocit di filtrazione effettiva) non costante perch sussistono fenomeni di DISPERSIONE.

dimensione dei pori Percorsi diversiInterazione con le pareti dei pori


K anche esprimibile in funzione dei grani, dei pori e delle caratteristiche del fluido:

K = C d (/) C = Costante del materiale che dipende dai grani: aumenta con laumentare del diametro dei grani e con il migliorare della classazione;

d = Diametro dei pori (considero un sedimento pari al d10 della curva cumulativa);

(gamma)= Peso specifico del fluido = g; = densit

(mu)= Viscosit del fluido

Parte solida

Parte fluida


Il valore prende il nome di PERMEABILITA INTRINSECA;

essa la parte di conduttivit idraulica che dipende solamente dalle caratteristiche della frazione solida.

ki = [m] = [d] (darcy) NB:

In definitiva,

La parte relativa alla frazione fluida, ed in particolare la viscosit, varia al variare della temperatura. Tuttavia nelle normali condizioni di giacitura dellacqua allinterno dellacquifero, e variano in maniera trascurabile tanto da poter assimilare K a ki


Convenzionalmente, valori di K superiori a 10-9 m/s indicano un materiale permeabile, valori inferiori sono rappresentativi di un materiale impermeabile.

ESERCIZIO

La permeabilit intrinseca di una roccia pari a 3x10-3 darcy; qual la conduttivit idraulica (il fluido ha le seguenti caratteristiche: densit = 1 g/cm3, viscosit = 0.01 g/s*cm)?.

Ricordiamo che

=> (trasformo darcy in cm2)

1000 cm/s2 = 103


LIMITI DELLA LEGGE DI DARCY: la Legge di Darcy valida solo per un mezzo poroso, omogeneo (mezzo in cui una certa propriet non varia spazialmente) ed isotropo (mezzo in cui una certa propriet ha lo stesso valore in ogni direzione di misura) in un regime idrico con moto laminare. Se i meati risultano troppo grandi, il moto del fluido assume carattere turbolento, soprattutto in corrispondenza delle pareti del vuoto. Introduco, quindi, il

Numero di Reynolds =

= densit del fluido;

v = velocit del fluido;D = diametro della condotta;

= viscosit del fluido.


La Legge di Darcy vale solo per NR


OMOGENEITA ED ISOTROPIA DI KMezzo OMOGENEO: una certa propriet non varia spazialmente.

Mezzo ISOTROPO: una certa propriet ha lo stesso valore in tutte le direzioni di misura.


Leterogeneit di K dipende essenzialmente da:

- Stratificazione;

- Discontinuit;

- Trend (gradazioni, direzioni preferenziali di deposizione).

Lanisotropia di K, invece, funzione della direzione di osservazione del parametro; in 2D ho 2 direzioni preferenziali di anisotropia. Kh

Kv

In 3D le direzioni di anisotropia sono 3 Kx

Ky

Kz


Considero una situazione di questo tipo:

Conduttivit idraulica orizzontale totale =

Conduttivit idraulica verticale totale =


OSSERVAZIONI:

- Per ogni combinazione avr che:

- Kh sempre > Kv nei sedimenti;

- Kv spesso > di Kh nelle rocce.

- Un insieme di strati omogenei ed isotropi sono, dal punto di vista idraulico, equivalenti ad un unico strato omogeneo ed anisotropo con spessore totale = d (= di) e Kh Kv


Riassumendo K dipende da:

SEDIMENTI- Granulometria (C);

- Classazione (C);

- Diametro dei meati (d):

- Granulometria;

- Compattazione;

- Disposizione grani;

- Forma grani.

ROCCE- Caratteristiche delle discontinuit:

- Numero;

- Aperture;

- Riempimenti;

- Interconnessione.

- Tettonica;

- Alterazione;

- Dissoluzione.

NB: K dipende fortemente dal Volume rappresentativo elementare (VRE) e, nel caso di acquiferi anisotropi, dalla direzione di misurazione del parametro.


MISURA DI K

K pu essere misurata in situ o in laboratorio

PROVE IN SITU

- Diluizione di tracciante in pozzo;

- Prove in pozzetto;

- Infiltrometrie; Prove di portata;

- Prove in pozzo (Lefranc e Lugeon).

PROVE IN LABORATORIO

Il campione deve essere il pi possibile indisturbato perch il rimaneggiamento influenza K.

- Permeametro - a carico COSTANTE (utilizzato per le sabbie);

- a carico VARIABILE (utilizzato per le argille).

- Formule empiriche in base alla granulometria.


MISURA DI K IN SITU

Diluizione di tracciante in pozzo

Studia il comportamento di un tracciante in uno o pi pozzi; la mobilitazione dello stesso dipende dalle caratteristiche del materiale acquifero =>

- Devo conoscere la porosit specifica del materiale;

- Devo verificare la velocit di diluizione (in un pozzo) o di percorrenza (tra 2 o pi pozzi);

- Devo conoscere lo spessore dellacquifero per definire le portate.


MISURA DI K IN SITU

Prove in pozzetto

Prova speditiva eseguita su scavi poco profondi fatti a mano o con benna ed indicata per la valutazione della conduttivit idraulica dei terreni superficiali in zona insatura. Si esegue nei seguenti modi:

1. Si riempie lo scavo di acqua e si misura la portata necessaria a mantenere costante il livello (prova a carico costante); per pozzetti cilindrici

K = Q

dh0Q = dV/dt = portata immessa

d = diametro pozzetto

h0 = altezza acqua da fondo foro

Volume immesso

tempo

dV

dt


MISURA DI K IN SITU

Prove in pozzetto

2. Si osserva la velocit di abbassamento dinamico nel tempo (prova a carico variabile);

h

tempo

dV

dt

-

+h0 t2t1

h2

h1

1=

mdhQK

mhtthhdK 1

32 1212

=327

12 +=

bhb

QK

327

21

12

12

++

=

bh

bh

tthhK

m

m

Pozzetto circolare

Carico costante

Carico variabile

Pozzetto a base quadrata

Carico costante

Carico variabile

Q= portata assorbita a livello costantehm = alt. media dellacqua nel pozzetto >1/4 dd = diametro del pozzetto cilindricob = lato del pozzetto a base quadratah2-h1 = variazione di livello nellintervallo t2-t1

Per la valutazione del coefficientedi permeabilit si utilizzanoformule empiriche, valide per un terreno omogeneo, isotropo e con permeabilit non inferiore a 10-6m/s.


MISURA DI K IN SITU

Infiltrometrie

Gli infiltrometri sono degli apparecchi concettualmente molto semplici che misurano la quantit di acqua che filtra attraverso una sezione di area nota. Quelloa doppio anello sigillato che rappresenta la logica evoluzione di quelli che l'hanno preceduto perch assicura la unidirezionalit del flusso grazie al doppio anello, e minimizza gli errori dovuti alla evaporazione grazie all'anello interno chiuso. La determinazione della conducibilit idraulica richiede una precisa determinazione della quantit di acqua che filtra al di sotto dell'anello interno; questo viene reso possibile utilizzando una piccola sacca flessibile contenente un quantitativo di acqua noto collegata, mediante un tubo di gomma, all'anello interno. Periodicamente la sacca viene rimossa e pesata, la differenza tra le due misure fornisce l'esatto quantitativo di acqua assorbita. Misurando l'intervallo di tempo tra le due pesate possibile determinare la velocit di filtrazione.


MISURA DI K IN SITU

Infiltrometrie

Infiltrometro a doppio anello


MISURA DI K IN SITU

Prove di portataLa forma del cono di influenza correlata alle caratteristiche del materiale acquifero; per K elevata avr coni poco profondi ma molto estesi (forte ricambio dacqua), per valori di K bassi avr coni molto profondi ma in pianta poco estesi (ridotta capacit di compensare lacqua emunta).


MISURA DI K IN SITU

Prove in pozzoLe prove di permeabilit in sito sono intese a determinare il coefficiente di permeabilit dei terreni.

Sono di vario tipo, e le modalit esecutive sono da determinare sia in funzione del tipo di terreno(per cui necessaria una preliminare conoscenza stratigrafica) sia della precisione desiderata.

E' indispensabile, per l'attendibilit delle prove, curare in particolare:

- la realizzazione di una cavit filtrante di geometria ben definita, con minimo disturbo del terreno circostante (nel caso di sondaggio ci implica la scelta di idonei mezzi ed utensili di perforazione e l'abolizione di ogni additivo, come bentonite e simili, all'eventuale acqua di circolazione);

- l'ottenimento di un moto laminare dell'acqua immessa (o estratta) secondo schemi di flusso il pipossibile simili ai modelli teorici;

- la conduzione delle prove in tempi sufficientemente lunghi per ottenere moti di fluidi in regime permanente (stabilizzazione della prova).

Ci si limiter ad esaminare le pi usuali prove eseguite in fori di sondaggio, utilizzabili in genere per terreni con coefficiente di permeabilit K superiore a 10-3 - 10-4 e in particolare:

a) Prove tipo LEFRANC, che permettono di determinare la permeabilit di terreni al fondo di fori di sondaggio al di sopra o al di sotto del livello della falda;

b) Prove LUGEON che consentono di valutare la permeabilit di formazioni rocciose.


MISURA DI K IN SITU

Prove tipo LefrancTali prove sono eseguibili al fondo di un foro di sondaggio e pertanto, se devono essere eseguite a diverse profondit, la perforazione va periodicamente interrotta per l'esecuzione della prova; va quindi realizzata una sezione filtrante al fondo del foro, sollevando per una lunghezza prestabilita la colonna di rivestimento o eseguendo un tratto di perforazione sotto la scarpa della colonna stessa. Tutto il tratto del foro non interessato dalla prova deve essere rivestito con una tubazione, e particolare cura va posta per evitare risalita dell'acqua all'esterno del tubo di rivestimento, ad esempio mediante la posa in opera di un otturatore (packer) pneumatico atto ad isolare la cavit di prova immediatamente sotto la scarpa del rivestimento.

Nel caso che il terreno interessato dalla cavit filtrante tenda a franare o a rifluire, necessario adottare particolari provvedimenti per la creazione della cavit di prova, procedendo ad esempio come segue: 1) Rivestire il foro fino al fondo con tubazione provvisoria; 2) Immettere nel fondo del foro della ghiaia pulita (o comunque materiale granulare a permeabilitdecisamente superiore a quella del terreno da provare); 3) Sollevare di qualche decimetro la colonna di rivestimento, curando che la base di questa non risalga mai al di sopra dello strato di ghiaia immessa.

Le prove possono essere condotte:

a) con CARICO IDRAULICO COSTANTE, mantenendo fisso il livello dell'acqua immessa nel tubo di rivestimento e misurando la portata di regime;

b) a CARICO IDRAULICO VARIABILE, misurando la variazione nel tempo del livello dell'acqua nel foro, dopo aver creato un temporaneo innalzamento (o anche abbassamento, per prove eseguite al di sotto della falda acquifera) riempiendo il foro d'acqua (o emungendo acqua dalla falda).


MISURA DI K IN SITU

Prove tipo Lefranc a carico COSTANTE

K = Q / CfHd

Q = portata a regime (m/sec)

H = carico idraulico a regime

d = diametro del foro

Cf = coefficiente di forma = 2.85


MISURA DI K IN SITU

Prove tipo Lefranc a carico VARIABILE

A = area di base della tasca filtrante

t2 t1 = intervallo di tempo corrispondente a dH

C = coefficiente di forma in funzione della tasca inferiore di diametro D e lunghezza L

C=L per L>>D

C=2p+L per L

Esempio prova Lefranc a carico Variabile


MISURA DI K IN SITU

Prove tipo LugeonTali prove vengono effettuate immettendo acqua in pressione su tratti prestabiliti di foro di sondaggio per valutare la permeabilit di ammassi rocciosi in termini di assorbimento di acqua nell'unit di tempo, in funzione della pressione di prova e della lunghezza del tratto di foro interessato.

La permeabilit della roccia cos misurata viene generalmente espressa in unita LUGEON; un LUGEONcorrisponde alla permeabilit di un ammasso roccioso che assorbe 1 litro di acqua al minuto per ogni metro di foro, con una pressione di prova di 10 atm. In generale se ne ricava un indice del grado di fratturazione; solo nel caso di mezzo omogeneo ed uniforme (roccia porosa, diffusamente microfessurata o con fratture molto ravvicinate) i risultati della prova possono essere tradotti nel coefficiente di permeabilit, se si realizza un flusso laminare a regime intorno al tratto di foro in esame.

Le sezioni del foro da sottoporre a prova (di lunghezza in genere compresa entro i 5 m) possono essere realizzate durante l'avanzamento della perforazione del sondaggio, isolando successivamente le sezioni da provare con due otturatori, uno alla sommit ed uno alla base della sezione stessa. Particolare cura va posta nella scelta e nella posa in opera degli otturatori, ad evitare perdite di acqua che potrebbero alterare anche sensibilmente i risultati, e che non sempre possono essere evidenziate (un rifluimento d'acqua a boccaforoindicher una perdita attraverso l'otturatore superiore, ma non sempre tale acqua risale fino a giorno, ed inoltre, nel caso di prova con due otturatori, e impossibile verificare perdite attraverso l'otturatore inferiore).

Gli otturatori sono realizzati con elementi cilindrici in gomma, che si espandono sotto una spinta meccanica o idropneumatica.

In ogni sezione la prova viene normalmente eseguita con diversi valori della pressione (in progressione crescente e poi decrescente), ogni volta mantenuti costanti per 10 - 20 minuti dopo il raggiungimento della condizione di regime (portata costante).


MISURA DI K IN SITU

Prove tipo Lugeon Packergonfiabili

Esempio prova Lugeon

Esercizio prova Lefranc

CARICO COSTANTE

litri Tempo (s)

10 10.54

20 20.6

30 30.83

40 40.96

50 51.11

Prova eseguita da 1.5 m a 2.0 m d = 127 mm

K = Q / CfHd

l s l/s k

10 10.54 0.9488 1.75E-03

20 20.6 0.9709 1.79E-03

30 30.83 0.9731 1.79E-03

40 40.96 0.9766 1.80E-03

50 51.11 0.9783 1.80E-03

0.9695 1.79E-03

Esercizio prova Lefranc

Prova eseguita da 1.5 m a 2.0 m d = 127 mm Cf=2.85

K = Q / CfHd

Prova a carico variabile

Tratto filtrante = 0.5 m

d = 127 mm

( ) 21

12L hh

lnttC

AK =

t (s)livello da b.f.

(m) h da fondo foro

0 0 4.5

5 0.1 4.4

15 0.3 4.2

20 0.5 4

30 0.7 3.8

60 1.1 3.4

120 1.5 3

5.28E-051.13331.5120

9.39E-051.1183.41.160

1.30E-041.0533.80.730

2.47E-041.05040.520

1.18E-041.0484.20.315

1.14E-041.0234.40.15

4.500

kh1/h2h da fonfo forolivello da b.f.

(m)t (s)


MISURE DI K IN LABORATORIO

Prova a carico costante (sabbie)


Livello mantenuto costante (carico idraulico costante)

L

h

Q

- Legge di Darcy

Q = - KA[(h1-h2)/L]

- In questo caso h1-h2 = h = cost

- Ora moltiplico i due termini dellequazione per t (tempo di misura) =>

Qt = - KAt (h/L)

Qt = V (volume scaricato in un certo tempo per mantenere il livello costante)

Riscrivo lequazione ed ottengo -KAt (h/L) = V => K = VL

AthNB: h deve essere simile a quello in situ


Prova a carico variabile (argille)dc = diametro campione

dt = diametro tubo di carico

Ac = area trasversale del campione

At = area trasversale del tubo di carico La portata in entrata (Qin) deve essere uguale alla portata in uscita (Qout) =>

da cui

Integrando da t=0 a t=1 con le condizioni iniziali h=h0 e t=0, otteniamo


Formule empiriche: Formula di HazenHazen ritiene che la dimensione della frazione pi fine di un terreno, quella, cio, che fa da matrice ai grani pi grossi, governa il valore della permeabilit

=>

K = d102

In pratica K pari al quadrato del d10 della curva granulometrica cumulativa espresso in millimetri.


Formule empiriche: Formula di PrughPrugh ha costruito tre grafici da cui ricavare K tenendo conto del d50, del coefficiente di uniformit del sedimento e del suo stato di addensamento.

PARAMETRI DINAMICITRASMISSIVITA

La Trasmissivit (T) esprime la quantit dacqua che pu essere trasmessa orizzontalmente attraverso una lunghezza unitaria da uno spessore saturo con gradiente idraulico unitario.

Trasmissivit =

H = spessore totale del livello saturo

K = conducibilit idraulica

NB: per un acquifero multilivello

o m2/s

PARAMETRI DINAMICICOEFFICIENTE DI IMMAGAZZINAMENTO SPECIFICO

Il Coefficiente di immagazzinamento specifico (Ss) esprime la quantit dacqua gravificaper unit di volume saturo che viene immagazzinata (o estratta) da un certo volume per variazione unitaria di carico idraulico sia per autocompattazione del mezzo (che fa aumentare la pressione lungo lasse z) sia per decompressione del fluido.

Coefficiente di immagazzinamento specifico =

= Compressibilit del mezzo;

= Compressibilit dellacqua (a Temp. Ambiente = 4,6 x 10-10 m2/N);

n = Porosit;

w = Densit dellacqua;

g = Accelerazione di gravit.

Il Coefficiente di immagazzinamento o STORAVITY (S) definito come(Valido solo per un acquifero confinato adimensionale)

S = nu (Valido per un acquifero libero)

Limmagazzinamento spec. legato allespansione del fluido e alla compattazione dellacquifero.

RIASSUNTO PARAMETRI FONDAMENTALI

Parametri statici Parametri dinamiciLegge di Darcy:

Portata = Q = KA [(h1-h2)/L] = [m/s]Porosit

Grado di Saturazione

Risalita capillare (legata alla pressione)

Conduttivitidraulica

Trasmissivit

Coefficiente di immagazzinamento specifico

Storavity

Acquifero confinato

Acquifero libero

Carico idraulico2

c mv21

E =

mgzFzWEp ===

En. cinetica

En. potenziale

A/FP =Lenergia totale di un volume unitario di fluido la somma delle 3 componenti:

Pgzv21

E 2tv ++=Dividendo la precedente equazione per si ottiene lenergia totale per unit di massa

++=P

gzv21

E 2tm Equazione di Bernoulli

Considerando un flusso stazionario senza frizione ed in condizioni di incompressibilit la somma delle 3 componenti costante.

Pressione

Si consideri un fluido con P=1500 N/m2 posto 0.75 m al di sopra del livello di riferimento di densit 1.02*103 kg/m3 e g=9.80 m/s2. Il fluido si muove ad una velocit di 1.0*10-6 m/s. Trovare lenergia totale per unit di massa.

++=P

gzv21

E 2tm

3

226

tm 1002.11500

75.080.92

)10(E ++=

2213tm s/m)47.135.7105(E ++=

Dividendo lequazione per g si ottiene lenergia per unit di peso. Ora lequazione ha la dimensione di una lunghezza (m). Lenergia per unit di peso chiamata carico idraulico, h.

tcosgP

zg2

v2 =++ Per un fluido ideale

In condizioni naturali la velocit molto bassa e il fluido

Si pu utilizzare un piezometro per misurare lenergia totale di un fluido che circola entro un tubo. Lacqua sale allinterno del piezometro in modo proporzionale allenergia totale per unit di massa del fluido.

gP

zh +=

In un fluido la pressione in un punto uguale allaltezza dellacqua

pghP =

da Fetter, 2001

sostituendo

phzh +=

Il carico idraulico dato dalla somma del carico di quota z e del carico piezometrico hp.

En. potenziale

PotenzialeLenergia meccanica per unit di massa in accordo con Hubbert (1940) rappresenta il potenziale .

)hz(ggh

gzP

gz pp +=

+=+=

gh=Un fluido va sempre da zone a potenziale pi alto verso quelle a potenziale pi basso.

Laccelerazione di gravit pu essere considerata costante cos si pu assumere che il carico idraulico controlli il movimento delle acque sotterranee.

Si osserva che il carico idraulico decresce lungo la direzione di flusso. Durante il flusso lacqua deve vincere la resistenza (attrito) dello scheletro. Parte dellenergia viene trasformata il calore. Normalmente non possibile misurare la variazione di temperatura.

da Fetter, 2001

Si consideri un tubo pieno di sabbia con un flusso da sin a dx e portata cost.

Per il singolo punto il carico costante h=(z+hp)

Quando la v=0 h risulta dappertutto costante.

1 2 1 2

1 21 2

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