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MARIA CLEMENTINA CAPUTO, FRANCESCO DE BENEDICTIS, LORENZO DECARLO & COSTANTINO MASCIOPINTO (*)

IMPIEGO DI MISURE INFILTROMETRICHE E DI RESISTIVITÀ

ELETTRICA PER LA CALIBRAZIONE DI MODELLI NUMERICI

DI FLUSSO NON SATURO IN CALCARI FRATTURATI

Abstract - MARIA CLEMENTINA CAPUTO, FRANCESCO DE BENEDICTIS, LORENZO DE CARLO, COSTAN-TINO MASCIOPINTO - Electrical resistivity measurements and infiltrometer tests for calibratingnumerical modelling of unsaturated flow in fractured limestone.

Karstic and fractured aquifers are among the most important drinking water resources,although they are particularly vulnerable to contamination. Due to their heterogeneity, researchaimed at a better understanding of flow, solute transport and biological processes in these hydr-ogeological systems is a difficult scientific challenge. Field tests were carried out on the outcropof karstic and fractured limestone that overlies the deep aquifer of Alta Murgia in SouthernItaly, which has recently been affected by untreated sludge disposal derived from municipal andindustrial wastewater treatment plants. In this study, subsurface electrical resistivity measure-ments were used to visualise the infiltration of water in the subsoil, due to unsaturated waterflow in the fractures. Simultaneously, the quasi-steady vertical flow into the unsaturated frac-tures was investigated by measuring water levels during infiltrometer tests, using a large adjust-able ring infiltrometer, designed to be installed on-site directly on the rock to measure the field-saturated hydraulic conductivity. Electrical resistivity profiles were performed using Wenner-Schlumberger array, by using 16 steel electrodes with 0.5 meter spacing and «time-lapse» tech-nique. In the ring, the water level reached a maximum level of 13 cm from the ground surfaceand its decreasing was measured using a pressure transducer PTX DRUCK LDR-ENGLAND.The results obtained were used for calibrating a numerical code for unsaturated flow (in the xzplane) of fractured limestone.

Key words: Fractured limestone, Infiltrometer test, Unsaturated flow, Electrical resistivity,Mathematical modelling.

Mus. civ. Rovereto Atti del Workshop in geofisica 7 dicembre 2007 139-156 2008

(*) Maria Clementina Caputo, Francesco De Benedictis, Lorenzo De Carlo, Costantino Masciopinto,CNR-IRSA ( Istituto di Ricerca Sulle Acque), Viale F. De Blasio, 5 - 70123 Bari.

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Riassunto - MARIA CLEMENTINA CAPUTO, FRANCESCO DE BENEDICTIS, LORENZO DE CARLO & CO-STANTINO MASCIOPINTO - Impiego di misure infiltrometriche e di resistività elettrica per la cali-brazione di modelli numerici di flusso non saturo in calcari fratturati.

La salvaguardia delle acque sotterranee assume un’importanza vitale a causa dello sfrutta-mento incontrollato delle risorse idriche e i frequenti fenomeni di contaminazione. Nel tempo,un inadeguato monitoraggio ambientale ha portato ad un depauperamento di questa risorsapreziosa e, conseguentemente, la crescente consapevolezza della necessità di una efficace tutelaper la corretta gestione degli acquiferi. Fra questi, gli acquiferi carsici fratturati meritano parti-colare attenzione perché costituiscono sistemi complessi, per la difficoltà di analisi dei fenomeniche regolano l’infiltrazione, il flusso e il trasporto, a causa della loro estrema eterogeneità eanisotropia. Per tali motivi è necessario un approfondimento delle conoscenze e delle ricerche diquesti sistemi, in modo da fornire un contributo importante allo sviluppo sostenibile del piane-ta. Questo lavoro presenta un caso di studio che ricade in un’area dell’Alta Murgia, nel territoriodi Altamura (Ba), che è stato interessato da sversamento di fanghi non trattati derivati da im-pianti di trattamento di acque di scarico comunali e industriali. Tali depositi hanno causatocontaminazione del suolo con sostanze tossiche quali idrocarburi e metalli (cromo, zinco e ni-chel). Al fine di analizzare e studiare la velocità di flusso e l’eventuale migrazione dell’inquinantenella zona insatura, sono state eseguite prove di campo, utilizzando un approccio multidiscipli-nare basato sull’esecuzione di prove infiltrometriche combinate con indagini geoelettriche. Perla prova infiltrometrica è stato realizzato un anello in materiale plastico di diametro variabile(circa 2 m), reso solidale con il substrato roccioso per mezzo di gesso a presa rapida. Nell’anelloinfiltrometrico, parzialmente riempito di acqua, è stata misurata la riduzione del livello idricoutilizzando un trasduttore di pressione (PTX DRUCK LDR-England). Contemporaneamentealla prova infiltrometrica sono state eseguite misure di resistività elettrica, con un dispositivo ditipo Wenner-Schlumberger, a 16 elettrodi distanziati di 0.5 m. Tale indagine ha consentito dideterminare la variazione nel tempo della distribuzione di resistività attraverso la modalità diacquisizione «time-lapse». I dati sperimentali sono stati utilizzati per calibrare un modello nu-merico di simulazione del flusso verticale (nel piano xz) della zona vadosa del sottosuolo calca-reo fratturato.

Parole chiave: Calcare fratturato, Test infiltrometrico, Flusso non saturo, Resistività elettrica,Modello matematico.

1. INTRODUZIONE

Lo studio del flusso verticale in un sistema fratturato non saturo è basilareper la comprensione della migrazione verticale di contaminanti in falda. Recen-temente le problematiche legate al rilascio di percolati da discariche non auto-rizzate che possono giungere nell’acquifero profondo, hanno destato particola-re attenzione in Puglia. In questa regione la piattaforma carbonatica ospita unacquifero intensamente utilizzato per scopi potabili ed irrigui, attualmente mi-nacciato in alcune zone dal rilascio abusivo di fanghi industriali non trattaticontenenti elevate concentrazioni di cromo, nichel, zinco ed altri metalli, oltreche idrocarburi. In tale contesto le caratteristiche strutturali dell’ammasso roc-cioso nella zona non satura costituiscono un elemento particolarmente influenteper l’eventuale infiltrazione del contaminante fino alla falda. L’acquifero carbo-natico nel sito di studio (Altamura - BA) si presenta fratturato e carsificato, con

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fratture spesso aperte e in parte riempite con calcite e terra rossa che contieneossidi di ferro (15%) e alluminio (30%), silice (33%) e altri composti minori(DELL’ANNA et al., 1985), entrambi prodotti della dissoluzione calcarea. Il flussodel contaminante dipende dalle caratteristiche medie del mezzo fratturato, comead esempio l’apertura delle fratture e la loro frequenza ed orientazione, oltreche dalle interazioni del fluido con la matrice rocciosa ed il suolo presente nellefratture.

In tale contesto, un approccio metodologico multidisciplinare risulta parti-colarmente efficace per una migliore comprensione dei fenomeni che governa-no lo studio delle caratteristiche quantitative e qualitative dell’acquifero, al finedi una corretta politica di gestione del bene idrico. Misure infiltrometriche inte-grate con dati di resistività elettrica del sottosuolo hanno consentito di calibrareun modello numerico di simulazione del flusso nonsaturo verticale (nel pianoxz) nei calcari fratturati di Altamura. Le misure geoelettriche, condotte in mo-dalità «time-lapse», hanno consentito di verificare l’avanzamento del fronte diumidità nel sottosuolo, misurando le variazioni di resistività fino a circa 1.5 m diprofondità.

2. AREA STUDIO

L’area studio scelta per la sperimentazione rientra nel territorio comunale diAltamura, nell’altopiano dell’Alta Murgia in Puglia (Fig. 1).

Da un punto di vista geologico, la formazione studiata è il «Calcare di Altamu-ra» (Fig. 2), costituita principalmente da calcilutiti di età mesozoica; essa rappre-senta una parte della sequenza sedimentaria della piattaforma carbonatica (CIA-RANFI et al. 1988) con spessori che possono raggiungere diverse centinaia di metri.La formazione menzionata è caratterizzata da sistemi di fratture dovute a fenome-ni tettonici connessi, principalmente, alla fase di emersione della piattaforma car-bonatica avvenuta in larga parte durante il Neogene. Le fratture si presentanoparzialmente occluse da bauxite e depositi di «terra rossa», segni tangibili dellefasi di morfogenesi e pedogenesi carsica di ambiente sub-tropicale, avvenute con-temporaneamente all’emersione. Sui calcari poggiano in trasgressione i depositiplio-pleistocenici appartenenti al ciclo sedimentario della Fossa Bradanica e, sulfondo dei solchi erosivi e delle principali depressioni carsiche, si rinvengono «de-positi eluviali e colluviali». La potente sequenza sedimentaria della piattaformacarbonatica costituisce l’acquifero profondo delle Murge, il cui livello piezometri-co varia fra 400 m e 500 m di profondità dal piano campagna. L’area è stata sog-getta, di recente, a sversamento di fanghi non trattati di origine industriale, ospe-daliera e municipale, causando contaminazione del suolo con elementi tossici qualiidrocarburi e cromo, nichel, zinco ed altri metalli.

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Fig. 1 - Carta geologica schematica dell’area di studio (Altamura).

Fig. 2 - Sezione geologica schematica dell’area di studio.

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3. MATERIALI E METODI

Il monitoraggio dei processi idrologici che avvengono nella zona vadosa èparticolarmente complesso, soprattutto quando l’area di indagine è caratteriz-zata da litotipi rocciosi affioranti in quanto, in tal caso, è difficile adattare allerocce metodi e tecniche comunemente sperimentate e standardizzate per i suoli.

Per il monitoraggio dell’infiltrazione dell’acqua nel sottosuolo è stato utiliz-zato un approccio combinato eseguendo misure del livello di acqua nell’anelloinfiltrometrico e, simultaneamente, misure della resistività elettrica nel tempo.

In ambito idrogeologico, le indagini geoelettriche sono particolarmente effi-caci in quanto la resistività elettrica del sottosuolo è un parametro sensibile allapresenza di acqua. Per tale ragione, in sistemi rocciosi, i modelli di resistivitàelettrica possono rappresentare un importante strumento di monitoraggio delcambiamento di contenuto d’acqua, in alternativa ai tradizionali dispositivi perla misura in situ del suddetto parametro, quali ad esempio il TDR (time domainreflectometry) e il TDT (time domain transmissivity), difficilmente applicabilisulle rocce.

3.1 Test infiltrometrico

In letteratura l’utilizzo di test infiltrometrici per valutare le proprietà idro-geologiche dei suoli è abbastanza diffuso ma raramente tali test sono stati realiz-zati direttamente sulle rocce fratturate (CASTIGLIONE et al., 2005) sia per la com-plessità della modalità di installazione dell’apparato sperimentale sia per la dif-ficoltà di indagare un’area sufficientemente ampia tale da essere rappresentativadelle eterogeneità del calcare carsificato e fratturato.

Nel seguente lavoro è stato progettato, realizzato e testato un apparato infil-trometrico specifico adatto per test su roccia affiorante. Nel nostro caso, utilizzan-do un nastro di plastica flessibile, di altezza pari a circa 30 cm, e sigillandone ledue estremità con un nastro adesivo impermeabile, è stato realizzato un anelloinfiltrometrico di diametro variabile (circa 2 m) per consentire una migliore adat-tabilità dell’apparato alle irregolarità del sito sperimentale. L’anello è stato sigilla-to al contatto con il terreno e/o roccia mediante gesso preparato in situ. Un appa-rato sperimentale di siffatte caratteristiche comporta una maggior probabilità diintercettare fratture di dimensioni e ampiezza variabili presenti nell’area test, con-sentendo di ottenere valori di conducibilità idraulica rappresentativi alla scala dellemisure. Tuttavia, l’utilizzo di un anello di grande diametro comporta difficoltàesecutive legate all’approntamento dell’apparato, alla sua messa in opera sulla roc-cia, all’impiego di una notevole quantità d’acqua per eseguire il test.

I test infiltrometrici condotti ad Altamura, sono stati eseguiti in due diffe-renti aree, distanti fra loro circa 300 m, utilizzando due differenti dispositivi

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sperimentali poiché le aree di indagine presentano caratteristiche visibilementediverse.

In particolare, nel sito 1, in cui l’area di infiltrazione presenta nella partecentrale numerose fratture e, subordinatamente, uno strato di suolo dello spes-sore variabile tra 5 e 10 cm, sono stati installati due anelli concentrici, aventidiametro pari a 2 m e 2.2 m, rispettivamente, in modo da migliorare la tenutaidraulica durante l’infiltrazione grazie alla sigillatura con il gesso della superficiecompresa tra i due anelli (Fig. 3). Nel sito 2, che presenta un’area di infiltrazionecaratterizzata interamente da un affioramento di calcare visivamente meno frat-turato del precedente, è stato installato un solo anello infiltrometrico (1.8 m didiametro) in un solco di spessore di 2 cm circa, preventivamente scavato nellaroccia utilizzando un flessibile (Fig. 4), e sigillato con gesso. In entrambi i casi,l’anello infiltrometrico è stato riempito con acqua avente moderata salinità(conducibilità elettrica pari a 2,39 mS/cm) fino a raggiungere un livello di circa13 cm.

Durante l’esperimento il livello dell’acqua nell’anello è stato monitorato uti-lizzando un trasduttore di pressione (PTX DRUCK LTD – England) per misu-rare l’abbassamento del livello idrico nel tempo; contemporaneamente sono sta-te eseguite misure di resistività elettrica per monitorare l’infiltrazione e la ridi-stribuzione dell’acqua nella sottosuolo roccioso.

Fig. 3 - Sito #1. (a) calcare con fratture visibili; (b) L’anello infiltrometrico è sigillato direttamen-te sul suolo colando il gesso nell’intercapedine tra i due anelli.

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3.2 Metodologia geoelettrica

Il metodo geoelettrico in corrente continua si basa sul contrasto di resistivitàelettrica fra i vari litotipi presenti nel sottosuolo per individuare strutture sub-superficiali (LOKE, 2000). La resistività elettrica, inverso della conducibilità, èuna proprietà intrinseca delle rocce e rappresenta la resistenza che oppongono imateriali nel farsi attraversare dalla corrente. Tale parametro si misura in W×m edipende da diversi fattori quali tessitura e porosità, grado di cementazione, gra-do di saturazione, temperatura della roccia, contenuto argilloso, permeabilità,temperatura e salinità della soluzione acquosa che imbibisce la formazione. Lerocce, generalmente, non sono buone conduttrici di corrente ma sono caratte-rizzate da una bassa conducibilità, essenzialmente di tipo ionico, dovuta a salidisciolti nelle acque che circolano nei pori e nelle fratture.

Per queste ragioni, il metodo di resistività è sensibile alle variazioni di circo-lazione di fluidi nelle rocce e può essere utilizzato come strumento di monito-raggio dell’infiltrazione e ridistribuzione dell’acqua nel sottosuolo.

Il metodo consiste nell’immettere corrente continua, per mezzo di una cop-pia di elettrodi di corrente, e nel misurare la differenza di potenziale ai capi diuna coppia di elettrodi di misura. Nota la corrente immessa I (A) e il potenzialemisurato DV (V), si calcola la resistività elettrica apparente, r (W×m), espressa

Fig. 4 - Sito #2. (a) Calcare senza fratture visibili. (b) L’anello infiltrometrico installato nel solcoscavato nella roccia (profondo circa 2 cm) e sigillato con il gesso.

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dalla seguente relazione semplificata, valida nell’ipotesi di suoli omogenei e iso-tropi

dove K (m) è il coefficiente geometrico che dipende dal tipo di dispositivo elet-trodico utilizzato.

Comunemente l’eterogeneità e l’anisotropia presente nel sottosuolo deter-minano in geofisica un problema «inverso», ossia quello di ricostruire un mo-dello significativo da un punto di vista geologico, a partire dai dati osservati eipotizzando opportune leggi che governano i fenomeni che li determinano.

L’indagine geoelettrica è stata eseguita disponendo gli stendimenti simme-tricamente rispetto al centro dell’anello, eseguendo un singolo profilo elettrico,nel sito 1 e due profili elettrici perpendicolari fra di loro, nel sito 2.

Per ciascun profilo sono stati impiantati 16 elettrodi distanziati di 0,5 metri,per una lunghezza totale di 7,5 metri, utilizzando un dispositivo elettrodico ditipo Wenner-Schlumberger (Fig. 5).

Fig. 5 - Schema di acquisizio-ne dei profili elettrici eseguitiutilizzando 16 elettrodi perciascuna direzione, equidi-stanziati di 0.5 metri: a) sche-ma del dispositivo nel sito #1;b) schema del dispositivo nelsito #2.

La scelta di tale dispositivo consente di ottenere un ottimale compromessofra una buona profondità di penetrazione del segnale, una adeguata risoluzionelaterale, un efficace rapporto segnale/rumore e una buona sensitività rispettoagli altri dispositivi elettronici comunemente utilizzati.

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A causa della compattezza del litotipo affiorante, per l’infissione degli elet-trodi è stato necessario perforare il calcare in modo da creare un buon contattoelettrico con la roccia.

Le misure di resistività sono state eseguite con un georesistivimetro dellaPASI s.r.l., modello 16SG12, impostando il massimo della corrente erogabile,pari a 500 mA, viste le condizioni estremamente complesse in cui è stata esegui-ta la prova.

Per monitorare le caratteristiche elettriche del sottosuolo, sottoposto all’in-filtrazione dell’acqua immessa nell’anello infiltrometrico, è stata utilizzata la tec-nica di acquisizione «time-lapse», eseguendo in continuo misure di resistivitàlungo i profili elettrici per circa due ore nel primo sito e tre ore nel secondo.

4. MODELLO MATEMATICO

L’equazione di governo del bilancio di massa per il flusso insaturo in unpiano di frattura

(1)

Dove il carico di suzione ψ (L) incognito, è definito dalla:

(2)

Q (L3/L3/t) nell’equazione (1) considera termini sorgenti (sink o source) chegenerano una variazione di portata, come i drenaggi, pompaggi o ricariche perunità di volume di sottosuolo. La capacità idrica specifica della frattura puòporsi G= ∂θw/∂ψ (1/L).

Per poter studiare il flusso insaturo in un piano di frattura verticale, conl’equazione (1), è necessario fare le seguenti ipotesi:– validità della legge generalizzata di Darcy, fornita dalla soluzione dell’equa-

zione di Navier Stokes;– fratture con pareti impermeabili e matrice rocciosa incomprimibile;– fluido incomprimibile.

In una frattura verticale (xz) con apertura b (L), variabile nel piano, le com-ponenti del flusso insaturo, u (L/t) e w (L/t) in direzione x e z, rispettivamente,possono scriversi come (BEAR, 1993):

(3a)

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(3b)

dove b(x,z) è il valore nodale dell’apertura nella sezione verticale studiata. Ilcoefficiente di permeabilità k

r(ψ) è definibile tramite il carico di suzione o con-

tenuto idrico solo tramite le curve di ritenzione, che si suppongo note (REITSMA& KUEPER, 1994; ABDEL-SALAM & CHRYSIKOPOULOS, 1996; BOCKGARD & NIEMI,2002; p.789). Si può notare che le equazioni (3a-3b) possono essere invertite perricavare una valore di apertura media del generico piano di frattura verticaleutilizzando il flusso medio verticale determinato con la prova infiltrometrica.

Risolvendo le equazioni (1-3), in ogni nodo del dominio computazionale, sigiunge ad un sistema di equazioni la cui soluzione può essere ottenuta solo dopoavere imposto opportune condizioni al contorno e iniziali, in termini di distri-buzione del contenuto idrico o del carico di suzione. Quest’ultimo, durante ilmovimento verticale del fluido, assume lungo il fronte di avanzamento un valoreche è funzione sia della tensione superficiale aria-acqua σ (M/t2) (=71.97 dyn/cm at 25°C) (DE GENNES et al., 2002) sia dell’apertura della frattura. In partico-lare, il carico di suzione al fronte di avanzamento può essere espresso tramitel’equazione di Young-Laplace (PRUESS & TSANG, 1990) come,

(4)

dove l’apertura bc definisce la porzione del piano occupata dalla fase non-ba-

gnante (aria). Una descrizione semplificata del movimento verticale dell’acqua èanche descritta dall’equazione di Green-Ampt (BEAR, 1972; p. 514), che assumecostante il carico di suzione al fronte di avanzamento nel piano verticale. L’ap-prossimazione di Green-Ampt è stata utilizzata da alcuni autori (REYNOLDS etal., 2002) per ottenere un fattore di correzione della conducibilità idraulica rica-vata da prove infiltrometriche (REYNOLDS & ELRICK, 1990).

Il codice numerico che implementa le Equazioni (1-3) è stato validato consuccesso in un precedente lavoro (MASCIOPINTO & BENEDINI, 1999) medianteuna comparazione dei risultati ottenuti con un differente modello descritto daABDEL-SALAM & CHRYSIKOPOULOS (1996), per la simulazione di flussi verticaliinsaturi in fratture piane con apertura variabile. Ad Altamura, lo stesso modelloè stato applicato per studiare il flusso verticale in una sezione dell’affioramentocalcareo, larga 4 m e profonda 2 m. L’apertura media è stata calibrata in funzio-ne del flusso di infiltrazione quasi saturo ricavato dalle prove infiltrometricheeseguite in situ in funzione della profondità massima di infiltrazione rilevatadall’analisi time-laps delle immagini di resistività elettrica. Anche l’altezza capil-lare e l’apertura b

c sono stati determinati in modo da ottenere soluzioni numeri-

che che riproducano le massime profondità di infiltrazione visualizzate con leimmagini di resistività elettrica alla fine dei test.

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Figura 6. Livello di acqua misurata durante i test nel sito #1 e sito #2.

4.1 Simulazione di flusso verticale

L’apertura media per generare i valori nodali in un generico piano verticalepuò essere determinata invertendo le Equazioni (3a-3b), dopo aver imposto unflusso per unità di superficie q (L/t) che è stato stimato di 1.23 m/d durante iltest eseguito nel sito #1 e pari a 0.21 m/d durante il test eseguito nel sito #2. Allasommità del suolo (z=0), per la saturazione (ψ=0), si può porre ∂ψ/∂×=∂ψ/∂z=0e k

r(0)=1, e conseguentemente può essere definito:

(5)

Poiché per valori di z>0 il flusso verticale coinvolge zone insature del sotto-suolo, la portata specifica di infiltrazione q non può essere costante nel tempo,anche imponendo un carico piezometrico costante in sommità, in quanto il suovalore varia in funzione della saturazione nel tempo del volume di sottosuolointeressato dall’infiltrazione. Per considerare tale effetto, il valore dell’aperturamedia ricavabile dall’Equazione (5), è stato modificato utilizzando un fattore dicorrezione di K

s proposto da REYNOLDS & HELRICH (1990), risultato pari a 0.371

nel primo sito e 0.348 nel secondo. Infatti, la stima del carico di suzione al frontedi avanzamento (ψ

f =0.90 e 0.95 m, per il 1° e 2° sito) e dell’apertura b

c (16.5 and

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15.5 mm), consentono di ottenere valori di conducibilità idraulica a saturazionepari a 0.46±0.001 e 0.070.002 m/d nell 1° e 2° sito, rispettivamente. Questi valorisono simili a quelli (0.6 m/d e 0.02 m/d) ricavabili da studi sperimentali eseguitiin laboratorio su campioni di calcare di Altamura fratturati (QUARTO & SCHIA-VONE, 1994) e sulla sua matrice rocciosa (BORGIA et al., 2002), rispettivamente.

In base ai valori medi di apertura calcolati dalle equazioni (3a)-(3b) e riportatiin Tab. 1, sono state generate le aperture nel piano di frattura verticale utilizzandoun modello stocastico di tipo esponenziale per la variazione nodale delle stesse(MASCIOPINTO & BENEDINI, 1999). Il reticolo computazionale di riferimento hautilizzato un passo di discretizzazione Dx=Dz=0.25 m (153 nodi). All’istante ini-ziale (a t=0) è stato assegnata una distribuzione di potenziale idrico corrisponden-te ad una condizione semi-arida della frattura, con valori compresi fra -1 m sulfondo e +0.13 m alla superficie del suolo (contorno superiore), in corrispondenzadell’anello infiltrometrico. Inoltre ai contorni laterali e inferiore del piano di frat-tura studiato è stato imposta la condizione di contorno impermeabile.

Fig. 7. Sito 1. Confronto fra profili di resistività elettrica (a) e risultati del modello matematico(b) finalizzato alla calibrazione dei parametri della curva di ritenzione.

151

Fig. 8. Sito 2. Confronto fra profili di resistività elettrica in direzione Nord-Sud (a) e Est-Ovest(b) e risultati del modello matematico (c) finalizzato alla calibrazione dei parametri della curvadi ritenzione.

Parametro sito #1 Sito #2

x z x zMedia delle aperture (mm) 1600 2000 500 800Dev. Standard Log aperture 0.349 0.349 0.349 0.349Nugget 0.02 0.02 0.02 0.02Sill 0.1 0.1 0.1 0.1Lunghezza di correlazione spaziale (m) 3 2 3 2

Curva di ritenzione (BOCKGARD & NIEMI, 2002)

θr 0.0094 0.0094θs 0.99 0.99α 1.11 1.05n 2.8 2.6b

c (µm) 16.5 16.5

Tab. 1. - Parametri utilizzati per la riproduzione delle aperture nel piano verticale (xz) e per lacurva di ritenzione.

I parametri delle curve di ritenzione idrica, vale a dire i parametri dell’equa-zione di VAN GENUCHTEN, sono stati desunti dalla letteratura (ABDEL-SALAM &CHRYSIKOPOULOS, 1996; REITSMA & KUEPER, 1994; BOCKGARD & NIEMI, 2002).

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I risultati ottenuti con il codice di calcolo sono stati riportati nelle Figure 7and 8 e mostrano un differente comportamento durante i test nei due siti. Larappresentazione del carico piezometrico dopo 2-3 ore di infiltrazione nel pianodi frattura verticale mostra un significativo effetto fingering, in seguito all’aniso-tropia imposta nella generazione dei valori delle aperture della frattura. Questoeffetto sembra essere maggiore per le fratture altamente conduttive come quelladel test nel sito #1.

5. RISULTATI

I risultati dei due test infiltrometrici eseguiti nel sito #1 e #2, riassunti nellaFig. 6, evidenziano una costante diminuzione del livello di acqua negli anelli du-rante i test. La pendenza della linea di tendenza riferita ai due siti sperimentalifornisce il valore medio della velocità di infiltrazione pari a 1.33±0.0034 md-1 peril sito #1 e 0.22±0.0027 md-1 per il sito #2, dove i valori di deviazione standardtengono conto degli errori standard nelle procedure di best fit. I valori riportatiincludono le perdite di acqua, dovute alla risalita dell’acqua infiltrata, stimate paria circa 0.1 m/d e 0.007 m/d per il sito #1 e #2, rispettivamente. Tali valori sonostati calcolati considerando l’estensione della superficie inumidita intorno all’anelloalla fine del test (1.6 m2 e 1.5 m2 per il sito #1 e #2, rispettivamente) il suo spessoremedio (5 cm e 3 cm), misurato eseguendo carotaggi in situ e la porosità (0.29 e0.03) ricavata dalla letteratura (GRASSI et al., 1975; BORGIA et al., 2002).

Per quanto concerne l’interpretazione dei risultati sperimentali legati alleindagini geoelettriche, il primo passo per l’elaborazione dei profili di resistivitàè consistito nella ricostruzione della pseudosezione di resistività apparente, unarappresentazione grafica approssimata della distribuzione di resistività che for-nisce un’interpretazione qualitativa del modello fisico del sottosuolo.

Nella pseudosezione ogni punto misura è attribuito ad un punto nel sotto-suolo la cui posizione orizzontale è al centro del quadripolo utilizzato, mentre laposizione verticale rappresenta la profondità media di investigazione o pseudo-profondità (EDWARDS, 1977).

Per ottenere un modello di resistività reale del sottosuolo è necessario ese-guire un processo di inversione dei dati sperimentali.

Utilizzando il software commerciale RES2DINV (LOKE & BARKER, 1996)sono stati ricavati modelli bidimensionali di resistività del sottosuolo. A partiredal modello sperimentale (pseudosezione di resistività apparente), il software dielaborazione genera un modello teorico suddividendo il sottosuolo in un nume-ro di blocchi rettangolari e calcolando la resistività media per ciascun blocco.Utilizzando l’algoritmo di inversione basato sul metodo dei minimi quadrati(DEGROOT-HEDLIN & CONSTABLE, 1990; SASAKI, 1992) e per successive iterazioni

153

si determina il best fit fra modello sperimentale e modello calcolato per ricavareun modello attendibile di resistività reale del sottosuolo.

È bene considerare che in geofisica il modello ricavato dall’inversione è limi-tato dal noto problema di equivalenza, legato alla non univocità fra dati speri-mentali e modello fisico ricavato. Per ridurre l’univocità delle soluzioni è neces-sario considerare condizioni a contorno legate alle conoscenze del problema daricercare.

Per ciascun profilo eseguito, utilizzando il software commerciale RES2DINV,è stato ricavato un modello quantitativo della distribuzione di resistività nel sot-tosuolo.

Per quanto riguarda il test del sito #2, l’infiltrazione di acqua salmastra neicalcari affioranti ha determinato un forte contrasto di resistività al di sotto del-l’anomalia di conducibilità, alterando la risposta quantitativa del modello. Taleproblema, non rilevato per il test del sito #1 per effetto della maggiore permea-bilità dei calcari affioranti, risulta abbastanza diffuso e merita un’ulteriore ap-profondimento al fine di ottimizzare la modellizzazione.

Per entrambe le prove di campo e i profili eseguiti sono state elaborate lesezioni di resistività relative a dieci acquisizioni successive.

Nelle figure 7 e 8 allegate sono evidenziate le sezioni elaborate relative a tredistinti istanti di tempo, sia per il sito #1 che per il sito #2.

Per il sito #1, i modelli di resistività bidimensionali evidenziano la presenzadi tre elettro-strutture:– struttura a bassa resistività, che raggiunge valori fino a 200 Ωm, associabile

alla presenza del calcare fratturato influenzato dall’acqua infiltrata;– struttura a resistività medio-alta, con range compreso fra 200 Ωm e 4000 Ωm,

attribuibile al calcare fratturato non influenzato dall’acqua d’infiltrazione;– struttura a elevata resistività, con valori maggiori di 4000 Ωm, riferibile a

calcare più compatto.L’analisi time-lapse delle immagini relative a diversi istanti di tempo eviden-

zia un approfondimento dell’anomalia di bassa resistività, attribuibile all’avan-zamento del fronte umido dell’acqua di infiltrazione.

Anche per quanto concerne il sito #2, l’elaborazione delle misure di resisti-vità elettrica evidenzia la presenza di tre elettro-strutture:– struttura a bassa resistività, fino a 100 Ωm;– struttura a resistività medio-alta, da 100 Ωm a 700 Ωm;– struttura a elevata resistività, maggiore di 700 Ωm.

Il modello geofisico e la relativa correlazione con il modello geologico del sito#2 sono analoghi a quelli del sito #1 ma con valori di resistività decisamente piùbassi, probabilmente in quanto le indagini del sito #2 sono state eseguite nel perio-do di ottobre, in condizioni climatiche decisamente più umide e fredde rispetto aquelle dell’altro sito, svolte, invece, in luglio con temperature piuttosto elevate.

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L’analisi time-lapse per il sito #2 evidenzia un grado di approfondimentodell’acqua di infiltrazione molto più basso, confermando le considerazioni lega-te al diverso stato di fratturazione del calcare affiorante.

6. CONCLUSIONI

L’area studio di Altamura è stata interessata da fenomeni di contaminazionedel suolo per effetto dello sversamento di fanghi non trattati di origine indu-striale e domestico. Lo studio è stato finalizzato ad una migliore conoscenza delflusso non saturo allo scopo di investigare la migrazione verticale degli inqui-nanti e la vulnerabilità dell’acquifero profondo, caratterizzato da calcare carsifi-cato e fratturato.

L’anisotropia ed eterogeneità dell’acquifero analizzato richiedono un’accu-rata conoscenza del comportamento di questi sistemi idrogeologici, principal-mente per lo sviluppo di una politica sostenibile della risorsa idrica.

A tal proposito, l’applicazione di metodologie integrate basate su differentiapprocci (test infiltrometrici e misure di resistività elettrica) possono consentiredi ricavare una modellizzazione numerica più accurata delle proprietà idrogeo-logiche del sottosuolo calcareo fratturato.

È stato utilizzato un apparato sperimentale consistente in un anello infiltro-metrico installato direttamente sul calcare affiorante mediante procedure nonstandardizzate. L’efficacia delle misure infiltrometriche è stata supportata daindagini geoelettriche che hanno evidenziato l’approfondimento del fronte umidonel sottosuolo durante il test di infiltrazione. I test condotti hanno consentito dicalibrare un codice di calcolo in grado di modellizzare il flusso non saturo lungoun piano di fratture verticali avente matrice impermeabile.

La congruenza fra i risultati delle simulazioni numeriche e quelli delle provesperimentali è stata verificata mediante un confronto con i dati di permeabilitàdisponibili in letteratura per la stessa formazione.

I risultati ottenuti incoraggiano gli autori ad indirizzare gli studi futuri sul-l’individuazione di relazioni sperimentali fra il contenuto d’acqua delle roccefratturate e il parametro di resistività elettrica.

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