4 ciclo idrogeologico ricarica riserve
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Corso di Idrogeologia Applicata<br />
Dr Alessio Fileccia<br />
Ciclo <strong>idrogeologico</strong> e bilancio<br />
Ricarica e recapito delle acque sotterranee<br />
Riserve e risorse sfruttabili<br />
Le immagini ed i testi rappresentano una sintesi, non esaustiva, dell’intero<br />
corso di Idrogeologia tenuto presso il Dipartimento di Scienze Geologiche, Ambientali e Marine<br />
dell’Università di Trieste. Il programma completo prevede, oltre agli argomenti in elenco e per ogni<br />
capitolo, una serie di esercizi con applicazione delle formule analitiche, la descrizione di alcuni software<br />
specifici per geostatistica, prove di portata, modellistica ed un’uscita con prove pratiche in un campo<br />
pozzi. Le lezioni sono periodicamente aggiornate e controllate. Per una versione definitiva,<br />
informazioni, segnalazione di errori o commenti, rivolgersi a:<br />
Dr Alessio Fileccia (geofile@libero.it)<br />
(<br />
Per scaricare l’intero corso: www.disgam.units.it/didattica/insegnamenti-13.php<br />
(figure e foto sono dell’autore, se non diversamente specificato)<br />
1
(Todd)<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
2
Distribuzione dell’acqua nell’idrosfera<br />
(Lvovitch 1967, Nace 1969)<br />
Acque dolci<br />
2,59%<br />
Oceani<br />
97,41%<br />
0,014%<br />
Calotte glaciali<br />
65-70%<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
Vapore acqueo, fiumi<br />
vegetazione<br />
Umidità<br />
del suolo<br />
Laghi<br />
3
70<br />
evapotraspirazione<br />
deflusso<br />
sotterraneo<br />
deflusso<br />
superficiale<br />
110 390<br />
28<br />
Litologia c.i.p.<br />
%<br />
40 40<br />
precipitazioni<br />
12<br />
430<br />
evaporazione<br />
Litologia c.i.p.<br />
%<br />
Calcari 90 – 100 Lave 90 – 100<br />
Calcari dolomitici 70 – 90 Depositi piroclastici 50 – 70<br />
Dolomie 50 – 70 Piroclastiti e lave 70 – 90<br />
Calcari marnosi 30 – 50 Rocce intrusive 15 – 35<br />
Detriti grossolani 80 – 90 Rocce metamorfiche 5 – 20<br />
Depositi alluvionali 80 – 100 Sabbie 80 – 90<br />
Depositi argillosi 5 – 25 Sabbie argillose 30 – 50<br />
(Civita)<br />
(valori in migliaia di kmc/anno, da Celico)<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
Ciclo globale<br />
del bilancio idrico<br />
e calcolo<br />
dei vari parametri<br />
Equazione del bilancio idrico<br />
P = E + R + I<br />
E = Evapotraspirazione = P / 0,9 + P 2 /L 2<br />
L = 300 + 25 T + 0,05 T 3<br />
T = temperatura media annua del luogo<br />
P = precipitazione<br />
R = Ruscellamento superficiale<br />
I = Infiltrazione<br />
D = Deflusso idrico = P – E<br />
c.i.p. = (coefficiente d’infiltrazione potenziale, vedi tabella)<br />
Ie = I x c.i.p. = Infiltrazione efficace<br />
4
400<br />
200<br />
0<br />
-40<br />
mm<br />
deflusso superficiale<br />
1936-37<br />
1940-41<br />
1944-45<br />
taglio del bosco<br />
1948-49<br />
1952-53<br />
Relazione tra copertura boschiva e ruscellamento superficiale. Il taglio degli alberi<br />
d’alto fusto (1936-37) innesca il dilavamento dei versanti ed un aumento<br />
della portata dei fiumi al fondovalle. Il fenomeno si riduce nel tempo fino<br />
al seguente disboscamento nel periodo 1963-64. (Swank_Helvey)<br />
1956-57<br />
1960-61<br />
1964-65<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
1968-69<br />
5
Fiume<br />
Gasconade<br />
portata in cu ft/sec<br />
100<br />
50<br />
settembre 1955<br />
tratto di alveo interessato<br />
da fenomeni di carsismo<br />
stazione di misura<br />
di portata del fiume<br />
0<br />
ottobre 1953<br />
0 9,4 21,6 43,4<br />
distanza in miglia<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
Alimentazione di una falda<br />
carsica per infiltrazione<br />
da un alveo fluviale<br />
La misura della portata del<br />
fiume, a monte ed a valle<br />
della zona di assorbimento<br />
(area carsica), indica il<br />
valore della <strong>ricarica</strong> della<br />
falda. Nelle varie stazioni la<br />
portata del fiume si riduce<br />
considerevolmente da ovest<br />
verso est, La perdita di<br />
acqua per infiltrazione,<br />
determinata infittendo le<br />
sezioni di misura, fornisce<br />
anche un’indicazione<br />
dell’intensità del carsismo.<br />
(Skelton)<br />
6
Calcolo della piovosità media<br />
per un bacino idrografico<br />
(metodo dei topoieti) topoieti<br />
S<br />
S stazione di misura<br />
bacino idrologico<br />
area del bacino<br />
utilizzata per il<br />
calcolo<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
Per calcolare la piovosità media di un<br />
bacino, unire le stazioni idrologiche<br />
con una rete triangolare. Tracciare la<br />
perpendicolare in corrispondenza<br />
della metà di ogni lato della maglia<br />
ottenendo così dei poligoni. L’acqua<br />
caduta sull’intero bacino è data dalla<br />
somma di quella dei vari poligoni,<br />
ognuna considerata pari a quella<br />
della stazione più vicina od al centro.<br />
Ad esempio il volume di acqua<br />
caduta nell’area in grigio scuro è dato<br />
dal prodotto della superficie del<br />
poligono e dell’altezza di pioggia<br />
misurata in S.<br />
7
30000<br />
25000<br />
20000<br />
15000<br />
10000<br />
5000<br />
R3<br />
R10<br />
R1<br />
F3<br />
R11<br />
R4<br />
R12<br />
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000<br />
(Bacino <strong>idrogeologico</strong> della sorg. Tegorzo)<br />
F2<br />
R6<br />
F4<br />
R5<br />
R2<br />
R7<br />
R9<br />
R8<br />
F1<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
Isoiete medie<br />
per il massiccio<br />
del M. Grappa (1921-50)<br />
R = stazione reale;<br />
F = stazione fittizia, calcolata in<br />
base alla variazione della<br />
piovosità con l’altitudine. Il<br />
volume delle precipitazioni si<br />
calcola moltiplicando l’area tra<br />
due isoiete (in grigio) per la<br />
media della piovosità, indicata<br />
dalle due curve. Il calcolo va<br />
effettuato all’interno del bacino<br />
idrologico definito.<br />
8
quota stazione sul mare<br />
1750<br />
1500<br />
1250<br />
1000<br />
750<br />
500<br />
250<br />
0<br />
M. Grappa<br />
Variazione della temperatura dell'aria<br />
con l'altitudine<br />
Foza<br />
Seren<br />
Cison<br />
Fener<br />
Bassano<br />
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14<br />
temperatura media annua (periodo 1954-94)<br />
(Bacino <strong>idrogeologico</strong> della sorg. Tegorzo)<br />
quota stazione sul mare<br />
R1<br />
Variazione della piovosità<br />
con l’altitudine<br />
R2 R10<br />
R12<br />
R11 R5 R8<br />
R3<br />
R4<br />
R9<br />
piovosità in mm/anno (medie 1921-50)<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
R7<br />
R6<br />
9
ampiezza del bacino della sorgente<br />
10000kmq<br />
1000kmq<br />
100kmq<br />
10kmq<br />
100ha<br />
<strong>ricarica</strong> annua<br />
0,1 mm<br />
100 ha<br />
1 lt/sec<br />
1 mm<br />
10 lt/sec<br />
10 lt/sec<br />
10 mm<br />
100 mm<br />
315 mm<br />
100 lt/sec<br />
portata della sorgente<br />
1000 mm<br />
10 mc/sec<br />
1 mc/sec<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
Correlazione tra area del<br />
bacino portata delle sorgenti<br />
e <strong>ricarica</strong> della falda<br />
Grafico di correlazione tra area<br />
del bacino e <strong>ricarica</strong> annuale<br />
alla falda. In ascissa la portata<br />
annua delle sorgenti. Non è<br />
considerato il peso dovuto alla<br />
vegetazione, litologia e<br />
pendenza dei versanti (da<br />
Meinzer)<br />
10
limite<br />
Calcolo del bilancio idrico sotterraneo<br />
Qdr<br />
Qle<br />
Qu<br />
Pr Etr<br />
Per<br />
ds<br />
Cap<br />
strato semipermeabile<br />
Qper<br />
Qd<br />
Qlu<br />
limite<br />
(Qle + Qu + Per + Qper) - ( Etr + Qd + Qdr + Qlu) = ds<br />
(Boonstra, de Ridder)<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
Componenti del flusso necessari<br />
per il calcolo del bilancio:<br />
Pr = acqua di precipitazione<br />
Per = è la precipitazione efficace,<br />
pari all’acqua che <strong>ricarica</strong> la falda<br />
attraverso l’insaturo<br />
Etr = evapotraspirazione da zone<br />
con falda subaffiorante (Cap),<br />
paludose, e coperte da vegetazione<br />
Qper = acqua di percolazione<br />
attraverso l’alveo di un corso<br />
d’acqua pensile<br />
Qup = flusso in salita proveniente<br />
da un acquifero semi confinato<br />
Qd = flusso in discesa dall’acquifero<br />
superiore a quello sottostante,<br />
attraverso un livello semipermeabile<br />
Qle = portata laterale in entrata<br />
Qlu = portata laterale in uscita<br />
Qdr = flusso di falda verso i corsi<br />
d’acqua superficiali<br />
ds = variazione immagazzinamento<br />
11
Fasi Elementi e parametri considerati Valori<br />
1 Piovosità media annua (P) 987 mm<br />
2 Evapotraspirazione media annua (E) 450 mm<br />
3 Ricarica (P-E) 537 mm<br />
4 c.i.p. copertura permeabile 0.8<br />
5 Infiltrazione efficace 429.6<br />
6 Superficie dell’acquifero<br />
A Affioramenti 15.7 kmq<br />
B Copertura argillosa 36.3 kmq<br />
C Affioramenti in zona urbana 2.5 kmq<br />
D Copertura argillosa in zona urbana 3.2 kmq<br />
7 Calcolo della <strong>ricarica</strong><br />
A Da affioramento 15 700 000 x 0.430 6751 x 10 3<br />
B Da copertura argillosa 36 300 000 x 0.537 x 0.3 5848 x 10 3<br />
C Area confinata assente 0<br />
D Area urbana 2. 500 000 x 0.537 x 0,5 671 x 10 3<br />
E Area urbana con copertura argillosa<br />
3 200 000 x 0.537 x 0,3 x 0,5 257 x 10 3<br />
T O T A L E 13527 x 10 3<br />
m 3 /anno<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
Esempio di calcolo<br />
preliminare della <strong>ricarica</strong><br />
di un acquifero alluvionale<br />
molto permeabile<br />
con ruscellamento<br />
superficiale R = 0<br />
e c.i.p. = 0,8<br />
(Brassington)<br />
12
Ricarica e recapito<br />
La funzione di un acquifero è quella di immagazzinare e trasmettere l’acqua.<br />
L’immagazzinamento (S) è possibile nella parte porosa della roccia; lo spostamento<br />
avviene se esistono punti a diverso carico piezometrico, da quello maggiore<br />
(area di <strong>ricarica</strong>, recharge area) a quello inferiore (area di recapito, discharge area)<br />
La variazione di immagazzinamento in un acquifero è data da:<br />
∆S = <strong>ricarica</strong> – recapito = entrata – uscita<br />
In condizioni naturali, all’equilibrio ∆S = 0 (si verifica ad esempio se consideriamo<br />
un anno <strong>idrogeologico</strong>)<br />
La <strong>ricarica</strong> si verifica dove c’è un serbatoio idrico (una fonte di acqua) che è in contatto<br />
con l’acquifero e lo rifornisce (ad esempio: percolazione verticale da piogge, perdite<br />
laterali o dall’alveo dei fiumi, da laghi, zone umide, o da acquiferi laterali).<br />
Spesso queste zone sono topograficamente elevate, la falda è profonda, il contenuto<br />
di sali basso ma in aumento con la profondità.<br />
Il recapito si verifica dove l’acqua abbandona l’acquifero per ritornare alla superficie<br />
(ad esempio: lungo i fiumi, laghi, zone umide, sorgenti, aree verdi). Spesso queste<br />
zone sono topograficamente depresse, con falda subaffiorante ed acque mineralizzate.<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
13
Zona di <strong>ricarica</strong><br />
Fiume<br />
Acquifero<br />
Acquiclude<br />
La zona di recapito presenta un limite<br />
a carico fisso<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
La zona di <strong>ricarica</strong> presenta un limite<br />
a carico fisso<br />
Zona di recapito<br />
Fiume<br />
Acquifero<br />
Acquiclude<br />
14
Linee di flusso convergenti<br />
nelle zone di recapito<br />
Il potenziale aumenta<br />
verso il basso<br />
Il potenziale diminuisce<br />
verso il basso<br />
Flusso verso le zone<br />
a carico piezometrico minore<br />
Linee di flusso divergenti<br />
nelle zone di <strong>ricarica</strong><br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
100<br />
50<br />
(Hubbert, modificato)<br />
15
FONTI DI RICARICA DELLE ACQUE SOTTERRANEE<br />
Fonte Descrizione<br />
Percolazione da acque meteoriche E’ una delle cause principali di alimentazione; l’entità è regolata dall’esposizione<br />
topografica, vegetazione, natura del suolo, litologia, intensità e frequenza delle piogge<br />
Infiltrazione da laghi e fiumi Nelle zone umide dove i livelli freatici sono alti, l’infiltrazione è localizzata e<br />
stagionale; in alcune zone interi tratti di corsi fluviali possono scomparire per<br />
alimentare la falda<br />
Comunicazione con acquifero laterale Un acquifero può essere <strong>ricarica</strong>to se comunica attraverso una zona permeabile, con un<br />
altro confinante lateralmente; l’entità della <strong>ricarica</strong> dipende come sempre dalla differenza<br />
di carico idraulico, dal tipo di collegamento e dai parametri idrogeologici<br />
Ricarica artificiale Può essere attuata tramite bacini artificiali poco profondi ma estesi, e pozzi di<br />
infiltrazione; l’irrigazione, le fosse biologiche o le reti fognarie possono essere<br />
considerati sistemi di <strong>ricarica</strong> (e/o inquinamento) artificiali ma non intenzionali<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
16
FONTI DI RECAPITO DELLE ACQUE SOTTERRANEE<br />
Fonte Descrizione<br />
Infiltrazione verso fiumi Lungo alcuni tratti di alveo (e durante certi periodi dell’anno) l’acqua sotterranea può<br />
alimentare i fiumi e mantenerne il corso<br />
Flusso da sorgenti e zone d’infiltrazione Sorgenti, fontanili e zone umide sono localizzate dove la falda interseca la superficie<br />
del terreno<br />
Evaporazione e traspirazione Un acquifero può perdere acqua per evaporazione, quando la falda è prossima alla<br />
superficie (tramite la frangia capillare); lo stesso si verifica tramite le radici delle piante<br />
quando c’è una grande copertura vegetale<br />
Estrazione artificiale Pozzi e dreni sono i principali responsabili dell’abbassamento delle falde<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
17
livello piezometrico massimo<br />
livello piezometrico minimo<br />
letto dell’acquifero<br />
<strong>riserve</strong> regolatrici<br />
<strong>riserve</strong> geologiche<br />
Riserve e risorse sfruttabili<br />
(acquiferi porosi)<br />
risorse sfruttabili<br />
La gestione e l’utilizzo delle risorse prevede conoscenze geologiche, sui bisogni<br />
idrici, e sulle variazioni piezometriche nel tempo, sia artificiali sia naturali.<br />
Per il calcolo delle <strong>riserve</strong> è importante conoscere la porosità efficace e<br />
l’immagazzinamento delle falde.<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
18
Valutazione della <strong>ricarica</strong> per un acquifero alluvionale<br />
Isofreatiche di piena<br />
(equidistanza 2 m)<br />
NB7<br />
AR4<br />
0 400 800 1200 1600<br />
AR3<br />
AR5<br />
NB9<br />
NB12<br />
NB10<br />
NB2<br />
C.Martini<br />
FP<br />
NB4<br />
NB11<br />
SR14<br />
Fiume Piave<br />
5<br />
7<br />
SR13<br />
SR15<br />
8<br />
10<br />
Isofreatiche di magra<br />
(equidistanza 1 m)<br />
NB7<br />
AR4<br />
0 400 800 1200 1600<br />
AR3<br />
NB1<br />
AR5<br />
NB1<br />
NB9<br />
NB12<br />
NB10<br />
C.Martini<br />
NB2<br />
FP<br />
NB4<br />
NB11<br />
SR14<br />
Fiume Piave<br />
la redazione della carta piezometrica di piena e di magra, permette di ricavare<br />
lo spessore che annualmente si rinnova; conoscendo l’ampiezza dell’acquifero<br />
e la sua porosità efficace si può calcolare il volume delle <strong>riserve</strong> regolatrici e quindi<br />
quelle sfruttabili<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
5<br />
7<br />
SR13<br />
8<br />
SR15<br />
19<br />
10
Iso oscillazioni<br />
della falda freatica<br />
(equidistanza 5 m)<br />
NB7<br />
AR4<br />
0 400 800 1200 1600<br />
-10<br />
AR3<br />
NB1<br />
-10<br />
AR5<br />
NB9<br />
NB12<br />
NB4<br />
C.Martini<br />
NB2<br />
NB10<br />
SR14<br />
Fiume Piave<br />
NB11<br />
5<br />
-5<br />
FP<br />
7<br />
SR13<br />
8<br />
SR15<br />
5<br />
0<br />
10<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)<br />
Zone di <strong>ricarica</strong><br />
Sovrapponendo la carte<br />
piezometrica<br />
di piena a quella di magra,<br />
si ricava<br />
su ogni punto di<br />
intersezione delle isolinee<br />
il valore di oscillazione,<br />
utilizzato poi per<br />
la carta a sinistra.<br />
La carta permette di<br />
riconoscere le zone<br />
di maggiore oscillazione<br />
(<strong>ricarica</strong>) situate<br />
nei vicinanze del fiume.<br />
20
22° 10’<br />
22° 05’<br />
22° 00’<br />
W. Khulays<br />
Abbassamento<br />
mensile<br />
della falda<br />
freatica<br />
valori medi in cm/mese<br />
(anno 1966-67)<br />
0 1 2 3 4 5 km<br />
39° 20’<br />
10<br />
20<br />
10<br />
39° 20’<br />
10<br />
0<br />
20<br />
20<br />
20<br />
30<br />
W. Murwani<br />
40<br />
20<br />
Zone di <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong> regolatrici<br />
30<br />
10<br />
40<br />
W. Ghiran<br />
39° 25’<br />
39° 25’<br />
Limite<br />
del bacino<br />
0 1 2 3 4 5 km<br />
Nei due periodi in figura sono stati misurate le variazioni di livello statico della falda freatica; in alto durante la<br />
stagione secca sono riportate le linee di uguale abbassamento medio mensile in cm, dovuto al pompaggio<br />
dei pozzi; in basso sono state ricavate le linee di uguale <strong>ricarica</strong> della falda durante la stagione piovosa; si nota<br />
come le aree con oscillazioni più elevate (zone di <strong>ricarica</strong>) sono situate vicino al corso degli wadi e poco oltre<br />
il loro sbocco dalle valli. (L. Zoppis; Congresso AIH, Palermo 1970, semplificato)<br />
21<br />
22° 10’<br />
22° 05’<br />
22° 00’<br />
W. Khulays<br />
Ricarica<br />
della falda<br />
freatica<br />
valori in metri<br />
(anno 1966-67)<br />
39° 20’<br />
39° 20’<br />
2<br />
1<br />
1<br />
1<br />
2<br />
2<br />
3<br />
3<br />
W. Murwani<br />
4<br />
W. Ghiran<br />
39° 25’<br />
39° 25’<br />
Limite<br />
del bacino<br />
(Idrogeologia: <strong>ciclo</strong> <strong>idrogeologico</strong>, <strong>ricarica</strong> e <strong>riserve</strong>)
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