PATENTINO PER
PERFORATORE DI POZZI
PER ACQUA
PERCORSO DI ABILITAZIONE
PATENTINO PER
PERFORATORE DI POZZI
PER ACQUA
} GEOLOGIA
} IDROGEOLOGIA
PATENTINO PER PERFORATORE DI
POZZI PER ACQUA
Meccanica
Elettromeccanica
Idraulica
GEOLOGIA
2
LE ROCCE
Le rocce sono aggregati di uno o più minerali
•
L’aspetto delle rocce è determinato
principalmente da due fattori:
–
–
•
Composizione mineralogica
Tessitura: forma e dimensioni dei
cristalli
I due fattori sopra indicati sono legati
alle condizioni di formazione della
roccia, ovvero alla sua origine
geologica
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
LE ROCCE
•
Le rocce sono suddivise in tre grandi gruppi, in funzione della loro origine:
1. ROCCE IGNEE O MAGMATICHE
2. ROCCE METAMORFICHE
3. ROCCE SEDIMENTARIE
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Il ciclo delle rocce
• Il ciclo delle rocce di
Hutton o ciclo
litogenetico illustra il
processo che lega la
trasformazione e la
formazione dei tre
gruppi di rocce
• Il ciclo delle rocce è
guidato dalla tettonica
delle placche
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
1. Rocce Ignee
•
•
•
Le rocce ignee si formano per cristallizzazione
(solidificazione) da un magma (stato fuso)
all’interno della Terra
La loro genesi è strettamente legata ai processi
razionalizzati nella teoria della tettonica delle
placche
Le rocce ignee sono suddivise in categorie:
– Rocce ignee intrusive o rocce plutoniche:
rocce formate da una lenta
cristallizzazione del magma, a profondità
variabili all’interno della Terra. Dimensioni
grandi dei cristalli (grana grossolana)
–
Rocce ignee effusive o rocce vulcaniche:
rocce formate da una rapida
cristallizzazione del magma, in superficie o
quasi. Dimensioni piccole dei cristalli
(grana fine) o addirittura tessitura vetrosa
–
Rocce ipoabissali o filoniane:
rappresentano una categoria di rocce
intermedia tra le due sopra indicate, legate
ad una cristallizzazione abbastanza rapida
ma non in superficie
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
K-feldspato
quarzo
biotite
1.
•
Rocce ignee
gabbro
Tipi principali di rocce ignee:
–
–
•
plagioclasio pirosseno
Ignee intrusive (plutoniche):
• Granito
• Gabbro
Ignee effusive (vulcaniche):
• Riolite
• Andesite
• Basalto
Minerali comuni nelle rocce ignee:
–
granito
riolite
Quarzo, feldspati, miche, pirosseni, anfiboli,
olivina
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
basalto
olivina
2. Rocce metamorfiche
• Le rocce metamorfiche sono il prodotto di profonde
trasformazioni mineralogiche e tessiturali, a seguito di
elevate temperature e pressioni, che si verificano
all’interno della Terra, a spese di rocce preesistenti
(ignee, sedimentarie e metamorfiche)
• Le temperature che generano metamorfismo sono
generalmente comprese tra 200 °C e 750 °C, tali da
indurre trasformazioni allo stato solido per
ricristallizzazione e reazioni chimiche
• La loro genesi è strettamente legata ai processi
razionalizzati nella teoria della tettonica delle placche
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Rocce metamorfiche
•
Esistono vari tipi di rocce
metamorfiche, che sono distinte in
base :
–
–
–
•
alla composizione chimicomineralogica della roccia preesistente
(protolito),
alle condizioni P e T di formazione
(facies metamorfica)
al tipo di metamorfismo, di cui i
principali sono:
• Metamorfismo regionale
• Metamorfismo di contatto
• Metamorfismo da seppellimento
• Metamorfismo di fondo oceanico
Un’importante struttura generata dai
processi di metamorfismo è la
foliazione delle rocce
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
miche
quarzo
clorite
miche
quarzo
(granato)
Tipi principali di rocce metamorfiche:
–
Fillade
•
–
Metam. Regionale – medio-alto
grado met. – derivata da rocce
sedimentarie e da graniti
miche
marmo
Metam. Regionale e di contatto –
basso-alto grado metam. –
derivata da calcari
Serpentinite
•
gneiss
K-feldspato
Marmo
•
–
Metam. Regionale – medio-alto
grado met. – derivata da rocce
pelitiche, ecc.
Gneiss
•
–
micascisto
Micascisto
•
–
fillade
Metam. Regionale – basso grado
met. – derivata da rocce pelitiche
plagioclasio
Metam. di fondo oceanico e
regionale - basso grado metam. derivata da peridotiti
Minerali comuni nelle rocce metamorfiche:
– Quarzo, feldspati, miche, granato,
pirosseno, cianite, ecc.
serpentinite
talco
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
calcite
serpentino
3. Rocce sedimentarie
•
Le rocce sedimentarie si formano
principalmente grazie all’azione di
agenti esogeni, quindi sulla superficie
terrestre
•
Le rocce sedimentarie sono dovute al
deposito di granuli seguito a
disgregazione e\o decomposizione di
rocce preesistenti (degradazione
meteorica), oppure a formazione
diretta a seguito di processi chimici
e\o biochimici
•
Al processo di degradazione, segue il
processo di trasporto dei sedimenti
nei bacini deposizionali
•
Le rocce sedimentarie si formano per
litificazione di sedimenti incoerenti
deposti
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
3. Rocce sedimentarie
• Le rocce sedimentarie sono suddivise in più categorie, in
base alla loro genesi:
– Rocce particellari: hanno subito tutto o parte del
processo di degradazione-trasporto-sedimentazionelitificazione (clastiche o terrigene e allochimiche)
– Rocce chimiche e biochimiche: sono il prodotto di
precipitazione chimica o di processi di formazione a
seguito di attività biologica
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
miche
K-feldspato
plagioclasio
quarzo
Frammenti litici
•
Tipi principali di rocce sedimentarie:
–
–
–
Particellari:
• Non carbonatiche
– Conglomerati
– Arenaria
– Siltite
– Argillite
• Carbonatiche (calcari)
– Calciruditi
– Calcarenite
– Calcilutite
Chimiche e biochimiche:
• Carbonatiche (calcari)
– Travertino
– Calcilutite
• Non carbonatiche
– Gesso
– Diaspro
Minerali comuni nelle rocce
sedimentarie:
•
Quarzo, minerali argillosi,
feldspati, calcite, dolomite,
gesso, salgemma
Minerali delle argille
arenaria
argillite
calcite
calcare
travertino
gesso
diaspro
gesso
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
quarzo
TERRENI
•
Una terra si differenzia da un materiale a comportamento lapideo (roccia) in quanto le
sue particelle sono tenute insieme da forze inferiori di diversi ordini di grandezza
rispetto ad una roccia (un’argilla immersa in acqua per alcune ore si disgrega
completamente, mentre un calcare o un granito rimangono integri).
•
Una terra è costituita da un aggregato di particelle separate da vuoti che possono
essere colmati da acqua o aria.
•
•
•
•
Un terreno è dunque definibile come sistema multifase in cui sono distinguibili
e coesistono i seguenti tre elementi:
FASE SOLIDA: particelle solide del terreno;
•
FASE LIQUIDA: generalmente acqua che riempie i vuoti tra le particelle;
•
FASE GASSOSA: aria che riempie i vuoti non occupati dal liquido.
•
L’insieme di queste tre fasi determina il comportamento di un terreno.
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
TERRENI
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
TERRENI
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Porosità:
n =Vv /Vt = 0 ÷ 1
Vv = volume dei vuoti
Vt = volume totale
Indice dei vuoti:
e = Vv/Vs = 0 ÷∞
Vs = volume del solido
e = n/ n-1
Nell'ipotesi di un terreno costituito da sfere uniformi, i valori limite di
porosità sarebbero rispettivamente:
mmax = 0,476 emax = 0,908 (in condizione di minimo addensamento)
mmin = 0,258 emin = 0,348 (in condizione di massimo
addensamento)
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Per quanto riguarda l’indice dei vuoti e
Per sabbia da molto sciolta a densa:
e = 0,75 ÷ 0,5
Per argille:
e = 0,55
caolinite
e = 0,75
montmorillonite
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
PERMEABILITA’ DEL TERRENO
Il terreno è un insieme di particelle ricche di pori o interstizi interconnessi.
L’acqua, pertanto, può fluire attraversandoli. Il percorso è ovviamente
abbastanza complesso, poiché l’acqua deve di fatto superare una
innumerevole quantità di ostacoli costituiti dalle particelle. Quindi, durante il
processo si verranno a determinare perdite del carico idraulico (altezza
piezometrica).
Partendo dal Teorema di Bernoulli il carico idraulico totale H si ottiene da
Energia potenziale
Energia cinetica
⇓
⇓
H =
z + u/gw
+
v^2/2g
con
z altezza geometrica calcolata rispetto ad un piano di riferimento arbitrario,
z=0
u/gw altezza di pressione con u pressione dell’acqua nel punto
considerato e gw peso di volume dell’acqua
v^2/2g altezza di velocità con v velocità del flusso nel punto considerato e
g accelerazione di gravità
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
I primi due termini rappresentano l’energia di posizione o potenziale,
mentre il terzo corrisponde all’energia cinetica. Perché si determini un
flusso è necessaria una differenza di carico idraulico: l’acqua si muove da
un punto a carico idraulico superiore ad uno a carico inferiore.
La maggiore o minore facilità con cui si manifesterà il flusso dipende dalla
granulometria del terreno:
SABBIA:
dimensioni granulometriche rilevanti ⇒ dimensioni pori fra particelle
elevate ⇒ flusso acqua facile ⇒ perdite di carico modeste
ARGILLA:
dimensioni granulometriche molto ridotte (m) ⇒ pori piccolissimi ⇒
difficoltà di circolazione dell’acqua ⇒ perdite di carico elevatissime
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Il Coefficiente di permeabilità K di un terreno esprime la facilità con
cui l’acqua riesce a circolarvi: così, quanto più sono piccole le particelle
tanto minore è K. A parità di granulometria un terreno maggiormente
addensato è caratterizzato da un minor volume dei vuoti e quindi da una
permeabilità minore.
Inoltre, la forma e l’orientamento delle particelle danno luogo ad
orientamenti preferenziali e pertanto la permeabilità potrà cambiare
notevolmente in funzione della direzione di flusso.
Il Gradiente idraulico è la perdita di carico (altezza piezometrica) per
unità di lunghezza
I = Dh / L
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Il flusso d’acqua può essere di tipo laminare (quando le linee di corrente o le
traiettorie delle gocce d’acqua non interferiscono tra loro) o di tipo turbolento.
In generale per lo studio delle filtrazioni nel terreno si usa il regime laminare,
tranne che nel caso di grande permeabilità dei terreni o di flusso attraverso
grandi fessure o di flusso in sistemi carsici. In regime laminare si può applicare
la Legge di Darcy:
v = k (Dh / L) = ki
La velocità del flusso è proporzionale al gradiente idraulico
Con
k permeabilità espressa dal coefficiente di permeabilità
v velocità media dell’acqua attraverso una macrosezione di terreno
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
GRADIENTE IDRAULICO CRITICO ic
Quando nel sottosuolo l’acqua scorre verso il basso, il flusso trascina
con sé le particelle del terreno e quindi la pressione effettiva aumenta;
se l’acqua fluisce verso l’alto, l’attrito tende a sollevare i granuli.
La pressione effettiva si annulla in uno strato di sabbia, ad ogni
profondità, quando il gradiente idraulico i * è pari a
ic = g’/gw
Il gradiente idraulico critico rende la pressione di infiltrazione media
pari al peso sommerso della sabbia.
In una trincea spesso si notano particelle di sabbia in agitazione
(ebollizione), quando l’acqua contenuta nella sabbia circostante sale
dal fondo sotto un gradiente idraulico critico > ic . Spesso tale
fenomeno è confuso con le sabbie mobili. Ma anche le ghiaie possono
subire tale evento. Per scongiurarlo è sufficiente disporre un filtro che
con il suo peso aumenta la pressione effettiva e mantiene i grani di
sabbia nello loro posizione iniziale.
* Il gradiente idraulico i esprime la differenza di carico
idraulico(altezza del livello piezometrico rispetto ad un piano di
riferimento) tra due punti per unità di distanza in un sistema acquifero.
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Classificazione Geotecnica delle Terre
Risponde all’esigenza di:
• Una caratterizzazione quantitativa dei caratteri fisici
e meccanici
• Una più facile utilizzazione delle esperienze
A causa della grande varietà composizionale e granulometrica delle terre e
della grande varietà di impieghi esistono diverse classificazioni basate su
uno o più dei caratteri già esaminati.
Non esiste un sistema che descriva una terra adeguatamente per tutti gli
impieghi; di volta in volta si dovrà scegliere il sistema di classificazione
più adatto a seconda dell’applicazione.
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Classificazione Geotecnica delle Terre
• Le proprietà da usare per la classificazione
devono essere indipendenti dalle condizioni
di sollecitazione e da quelle ambientali
• la granulometria, principalmente per le terre a
grana grossa,
• i limiti di Atterberg principalmente per le terre a
grana fine.
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Classificazione Geotecnica delle Terre
•
Con una stima della granulometria si può dare la denominazione AGI
(Associazione Geotecnica Italiana)
•
Il NOME è quello della frazione granulometrica dominante (Sabbia,
Ghiaia, Limo, Argilla)
•
CON precede la denominazione della frazione secondaria se compresa tra
il 50% e il 25%
•
- OSO (o -osa) se compresa tra il 15% e il 25%
•
DEBOLMENTE …. OSO (o -osa) se compresa tra il 15% e il 5%
•
Una terra costituita dal 70% di ghiaia e il 2O% di sabbia e il 10% di limo
secondo questa convenzione sarebbe una ghiaia sabbiosa, debolmente
limosa.
Una terra con il 50% di sabbia, 30% di limo e il 20% di argilla sarà una
sabbia con limo argillosa.
•
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Proprietà tecniche delle rocce
• Densità (massa/volume)
• Densità reale o peso specifico è il peso
della parte solida sul volume, mentre la
densità apparente è il peso totale della
roccia (compresi i vuoti) sul volume.
• Il rapporto tra densità reale e densità
assoluta (detto densità relativa) indica il
grado di compattezza della roccia.
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Valori di densità apparente
Tipo di roccia
Graniti
Densità apparente (kN/m3)
25,5-29,0
Gneiss-Ardesie
25,0-28
Dioriti-Gabbri-Sieniti
27,5-30,0
Pirosseniti
33,0-34,0
Porfidi
24,5-27,0
Tufo
11,0-23,0
Trachiti
24,0-28,0
Basalti
27,5-31,0
Serpentiniti
26,0-27,5
Pomici
5,0-11,0
Calcare tenero
11,0-24,0
Calcari compatti
24,0-27,5
Travertino
22,0-25,0
Dolomie
23,0-28,5
Marmi
27,0-27,5
Arenaria
18,0-27,0
Conglomerato
22,0
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Peso dei materiali
Peso (kN/m3)
Pietrisco (diametro 3-6 cm)
Quarziti - Arenarie
12,5-13,5
Graniti-Porfidi-Serpentine-Calcari compatti
13,0-14,0
Dioriti-Gabbri-Basalti
14,0-15,0
Terreni
Peso (kN/m3)
Argilla secca soffice
8,0
Argilla secca normale
11,0-13,0
Argilla secca compressa
16,0-19,0
Limo secco
13,5-15,0
Sabbia secca
14,0-16,0
Sabbia secca limosa
16,0-21,0
Sabbia secca ghiaiosa
20,0-22,0
Ghiaia asciutta
18,0-20,0
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Proprietà tecniche delle rocce
• Porosità totale:
• Porosità efficace:
• Indice dei vuoti:
•
Permeabilità [m/s]: è la proprietà che hanno i terreni di lasciarsi
attraversare dall'acqua quando questa è sottoposta a un certo
carico idraulico (esperimento di Darcy).
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Porosità Totale
Tipo di roccia
Porosità (%)
Ghiaie
35
Sabbie (1-2 mm)
37
Sabbie fini (0.3-1 mm)
41
Limi
35-45
Argille
45-50
Arenarie
7-34
Argilloscisti
0,4-10
Travertini
5-12
Calcari compatti
0,4-2
Tufi vulcanici
20-30
Gneiss
0,4-2
Graniti
0,4-1,5
Basalti
0,2-0,9
Serpentiniti
0,1-0,6
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Permeabilità delle rocce
Tabella tratta da Scesi,Papini, Gattinoni “Geologia Applicata”
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Descrizione di cantiere
• Le descrizioni di cantiere servono a una
descrizione speditiva durante il prelievo di
campioni superficiali o per stilare una
prima stratigrafia di un sondaggio.
Tutte le tecniche speditive per il riconoscimento delle
litologie torneranno utili - talvolta si usano anche piccole
attrezzature portatili (penetrometro tascabile, ecc.).
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Descrizione di cantiere
Da una breve manipolazione del campione
si può ricavare l’Indice di plasticità (Ip):
• Indice di plasticità inferiore a 20 - se
modellato tra le dita si asciuga,
• Indice di plasticità maggiore di 20 - se con
il modellamento non variano le sue
caratteristiche plastiche e di contenuto
d’acqua.
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Descrizione di cantiere
• Con il penetrometro si
ricava la coesione non
drenata C u.
• Si può verificare se la
consistenza è molle,
semi-plastica, plastica o
dura.
• Non è consigliabile per
ricavare capacità portanti
e carichi ammissibili per i
quali è indispensabile
l'utilizzo di prove di
laboratorio.
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Descrizione di cantiere
Per una valutazione della componente
granulometrica fine il materiale può essere
mescolato con acqua in una beuta.
• Il limo resta in sospensione qualche minuto;
• L’argilla fino a un’ora e più;
• Il materiale sedimentato sarà stratificato e ci darà
un'idea della composizione granulometrica.
Il colore biancastro della frazione fine può indicare la presenza di minerali
del gruppo del caolino; il grigio scuro può denotare materiale organico,
l’azzurro - solfuro di ferro finemente disperso, il rossiccio - ossidazione
superficiale, ecc..
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Descrizione di cantiere
• Nel caso di un terreno secco si può valutare la
sua composizione attraverso la coesione:
coesione
• “Sabbie fini e Limi” - si sgretolano facilmente
quando sono schiacciati tra le dita;
• “Argille con Limi” - mostrano una maggiore
resistenza;
• “Argille” - hanno una consistenza quasi
lapidea, generalmente si rompono in frammenti
non polverizzabili.
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Descrizione del terreno
• Elementi base, quindi, per la descrizione
di un terreno sono:
• Litologia
• Granulometria
• Colore
• Arrotondamento
• Di seguito vengono mostrate le schede
standard per il pozzo e per la descrizione
stratigrafica
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Pozzi per Acqua
IL Pozzo Idrico è uno scavo verticale in un
mezzo acquifero eseguito
meccanicamente, di diametro sino a
qualche metro e il cui fine principale è il
richiamo e l’estrazione delle acque di una
falda
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Pozzi per Acqua
•
Le tecniche di perforazione sono le stesse usate
nell’esplorazione geologica del sottosuolo e per le
palificazione nell’edilizia
Attualmente i pozzi vengono scavati:
1. A percussione
2. Rotary
3. A rotopercussione
Adatto per tutti i terreni
Adatto per terreni molto
compatti
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Pozzi per Acqua
Tassi di avanzamento in relazione ai più comuni metodi di perforazione in
alcuni litotipi (tratto da “Il manuale del Geologo” di Casadio ed Elmi)
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
Fonti
•
Ivan Callegari, Appunti del corso Geologia 2 – Laurea I Livello in
Geotecnologie AA 2007/2008.
•
Eros Aiello, Appunti del Corso di Geotecnica e Geoingegneria,
Laurea Specialistica in Geologia Applicata AA 2008/2009.
•
Luigi Carmignani, Appunti del corso di Geologia Applicata – Laurea
di I Livello in Scienze Geologiche AA 2009/2010
•
L.Scesi, M.Papini, P.Gattinoni, Geologia Applicata, Casa Editrice
Ambrosiana,2003.
•
ANIPA, Regione Piemonte, Scheda Pozzi.
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
PATENTINO PER PERFORATORE DI
POZZI PER ACQUA
Meccanica
Elettromeccanica
Idraulica
IDROGEOLOGIA
2
L'ACQUA...
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
Laboratorio di Idrogeologia Applicata e Ambientale
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
58
L'ACQUA...
z
z
z
… non può essere considerata un bene inesauribile, visto che la velocità con
cui viene “consumata” è di gran lunga superiore a quella con la quale
ritorna disponibile.
… è, perciò, solo apparentemente una risorsa rinnovabile, e, dato che che è
indispensabile alla vita sul pianeta, deve essere gestita con estrema
oculatezza.
… ha una “qualità” che influenza drasticamente le possibilità di uso
antropico, mentre il suo ruolo geologico e le sue caratteristiche geochimiche
la rendono intrinsecamente vulnerabile.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
Laboratorio di Idrogeologia Applicata e Ambientale
CGT - Centro di GeoTecnologie 2010
59
Quanto bevono gli Italiani?
Il consumo d’acqua pro-capite in Italia è 267 l/giorno
(terzi dopo gli Usa e il Canada!!!)
Il consumo medio europeo è di ….. 150 l/giorno !!!
L’area più sprecona è:
Il Nord-Ovest con 323 litri
seguita da…
• Centro con 275
• Nord – Est con 268
• Isole con 235
• Sud con 214
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
60
Dalla Sorgente al Rubinetto
Prelevati 150 miliardi di metri cubi d’acqua annuali
Ovvero 2.700 metri cubi pro capite per anno
Che provengono da:
503 corpi idrici
superficiali (20%)
1.656 pozzi (38%) e
sorgenti (42%)
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
61
La circolazione dell’acqua
La circolazione dell’acqua sulla
superficie della Terra avviene
attraverso cinque grandi serbatoi:
•
•
•
•
•
Oceani (96.4%);
Ghiacci (1.72%);
Acque sotterranee (acquiferi + umidità del suolo: 1.73%);
Acque superficiali continentali (0.0013%);
Atmosfera (0.001%).
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
Laboratorio di Idrogeologia Applicata e Ambientale
62
Il Ciclo dell’Acqua
Ciclo oceanico
Evaporazione (E)=505.000 Km3/anno
Precipitazioni (P)=458.000 Km3/anno
eccesso vapore 47.000 Km3/anno
Ciclo continentale
Evapotraspirazione (ET)=72.000 Km3/anno
+ 47.000 Km3/anno
Precipitazioni (P)=119.000 Km3/anno
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
63
Il Ciclo dell’Acqua
Uno scambio di materia caratterizza il cosiddetto
ciclo dell’acqua, che include tutti i vari passaggi di
materia, reazioni fra acqua e atmosfera, parte biotica
ed infine terreno.
Questo ciclo può essere diviso in
diverse fasi, ognuna delle quali
può essere caratterizzata da
determinate condizioni d’entrata e
di uscita, ben definibili e
ricostruibili.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
64
Il Ciclo dell’Acqua
Il ciclo dell’acqua inizia quando
essa è sotto forma di vapore
acqueo sospeso
nell’atmosfera, che si
condensa a causa di mutate
condizioni ambientali. Nel
vapore sono presenti azoto,
ossigeno a anidride carbonica,
presenti in forma disciolta.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
65
Il Ciclo dell’Acqua
Quando il vapore si
condensa, in determinati
casi può precipitare,
portando l’acqua verso il
suolo
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
66
Il Ciclo dell’Acqua
Acqua ritenuta: (i.e. in montagna) qui si ha la
cessione di anidride carbonica al terreno, che
arricchisce invece l’acqua di bicarbonati di calcio
e magnesio, oltre che di sodio. Si verifica inoltre
il processo di ossidazione dei solfuri, che porta
alla presenza di SO disciolta. Inoltre l’acqua
4
appena caduta si può mescolare con quella già
presente in loco, oltre ad arricchirsi di vari
componenti solubili contenuti ad esempio nei
sedimenti marini.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
67
Il Ciclo dell’Acqua
Essere non ritenuta: l’acqua in questione è caduta
su un suolo dove non sono presenti le condizioni
ambientali necessarie per “bloccarla” nel posto
come sopra, quindi, essa scorre e viene a contatto
con varie componenti. Qui si ha l’aggiunta di
CO che comporta la formazione di acido
2
carbonico, che reagisce assieme ai minerali
formando bicarbonati solubili. Inoltre si ha la
precipitazione del ferro colloidale, di Al, di SiO e
2
di carbonati.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
68
Il Ciclo dell’Acqua
L’acqua che invece si è trovata
immediatamente a contatto con un suolo
(secondo caso) può evaporare, mediante la
evotraspirazione, o percolare in una falda
sottostante.
- Per evotraspirazione si intende traspirazione ed
evaporazione di acqua a causa delle piante, che la
assorbono per realizzare la fotosintesi. I minerali che
erano disciolti nell’acqua vengono in parte assorbiti dalle
piante, come elementi essenziali per la loro
sopravvivenza.
- L’ acqua di falda invece è l’acqua che è percolata nel
sottosuolo e si ritrova a contatto per un periodo di tempo
variabile con la struttura sottostante. Qui si può avere
una riduzione di solfati da parte di batteri anaerobi, una
sostituzione di bicarbonato da parte di solfati, o uno
scambio di base.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
69
Il Ciclo dell’Acqua
L’acqua a questo punto può risalire in
superficie, cioè mediante le sorgenti, e
subire un destino analogo a quanto
sopra descritto per le acque che sono
state ritenute.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
70
Il Ciclo dell’Acqua
Ecco quindi riassunto il ciclo
dell’acqua: poche parole per fissare
concetti importanti.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
71
Il Ciclo dell’Acqua
TIPI D’ACQUA
% sul TOTALE
Salate
95
Dolci
• ghiacciai
• Liquide
5
4
1
Dolci liquide
• sotterranee
0,99
• Laghi
0,010
• Suolo
0,002
• Fiumi
0,001
• Atmosferiche
0,001
• BiologicheCGT Centro di GeoTecnologie
0,0005
2010
% delle Acque Dolci
80
20
19,7
0,20
0,04
0,02
0,02
0,001
72
Equilibrio tra ciclo continentale e oceanico
L'equilibrio tra il ciclo continentale e quello oceanico è stabilito da:
z
Deflusso totale naturale medio (QT)
e dal
z
Deflusso nascosto di acque sotterranee
Il motore per il movimento dell’acqua è dato da:
z
calore solare (la trasformazione in vapore assorbe 1/5 dell’energia solare che irradia
l’alta atmosfera)
e dalla
z
forza di gravità
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
73
Bacino Idrogeologico
Per l’idrogeologia è necessario definire univocamente
gli spazi e le quantità coinvolte nel ciclo idrologico.
Identificazione spaziale dei sistemi idrologici per la
parte superficiale e sotterranea del ciclo:
• In natura si possono riconoscere tre domini di spazi
interdipendenti.
Î Il bacino idrologico;
Î Il bacino idrogeologico;
Î L'acquifero con la sua falda idrica sotterranea.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
74
Bacino Idrogeologico
Si distinguono due domini di spazio interdipendenti, ciascuno dei quali individua
un sistema idrologico:
BACINO IDROLOGICO: è circoscritto da linee di creste topografiche che
seguono le sommità dei rilievi (identificando la linea di displuvio o spartiacque
superficiale) che delimitano il bacino di raccolta (o collettore) di un corso d’acque
e dei suoi affluenti (Corrisponde al BACINO IDROGRAFICO).
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
75
Bacino Idrogeologico
Il BACINO IDROGEOLOGICO
è la frazione dello spazio del bacino
idrologico situata sotto la superficie del
suolo ed è il dominio delle acque
sotterranee. I suoi limiti sono imposti
dalla struttura idrogeologica. I limiti fisici
del bacino idrogeologico sono imposti
dalla struttura geologica o dalla presenza
di spartiacque sotterranei. La coincidenza
sul piano verticale dei limiti dei due
bacini può essere buona ma anche
parziale, dipende
delle litologie e
dalla struttura
geologica
dell’area.
Notare la diversità tra i bacini idrogeologici A, B, C, D, E e quelli idrologici
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
76
Bacino Idrogeologico
•
•
•
In un sistema idrologico si può avere non corrispondenza tra
spartiacque superficiale e spartiacque sotterraneo.
Nella figura di sinistra un alto strutturale a bassa permeabilità
relativa genera inversione del rilievo e separa il flusso.
A destra lo spartiacque sotterraneo coincide con il limite di
struttura.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
77
Riserva e Risorsa idrica
•
•
Riserva: volume d'acqua gravifica contenuta, ad una certa
data o immagazzinata nel corso di un periodo medio
annuale, in un sistema idrologico; volume d’acqua non
rinnovabile.
Risorsa: volume d'acqua che può essere estratto da un
dominio circoscritto, durante un periodo dato, tenuto conto
di criteri e vincoli fisico-tecnici, socio-economici,
ambientali e politici ben definiti; volume d’acqua
rinnovabile.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
78
Distribuzione e movimento dell’acqua sotterranea
L’acqua proveniente dalle precipitazioni
o dai bacini superficiali, si accumula nei
pori e fessure del terreno e costituisce la
falda freatica. Nella falda tutti i pori
sono riempiti di acqua (zona di
saturazione), al di sopra essi sono solo
in parte saturi (zona di aerazione).
Nelle zone umide la profondità della
falda dalla superficie è di pochi metri, in
quelle aride anche decine. In genere
l’andamento della parte superiore della
falda (tavola d’acqua) segue,
addolcendole, le variazioni di pendenza
della superficie topografica. Le acque
connate sono situate ad elevata
profondità, hanno alto contenuto in sali e
derivano solo in parte da acque
meteoriche. Un terreno permeabile e
contenente acqua costituisce un
acquifero.
acquifero I più comuni e produttivi
sono all’interno di formazioni in sabbia,
ghiaia, arenaria, calcare e dolomia.CGT Centro di GeoTecnologie
2010
79
Distribuzione e movimento dell’acqua sotterranea
A) granuli ben assortiti con alta porosità generale; B) granuli poco assortiti con bassa porosità;
C) granuli ben assortiti costituiti da elementi porosi (es.: arenacei); D) granuli ben assortiti la cui porosità
è ridotta a causa del cemento; E) roccia porosa per dissoluzione carsica) F: roccia porosa per fratturazione
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
80
Relazione tra curve granulometriche e sedimenti
Ghiaia e sabbia
Silt e argilla
Sabbia e silt
Sabbia e ghiaia
Questo grafico ottenuto integrando i dati di numerose analisi. Esiste una relazione tra la permeabilità, la
dimensione dei grani e la gamma di diametri presenti nel campione (uniformità). Altre caratteristiche che
influenzano la permeabilità sono la forma degli elementi, il loro grado di compattazione, il volume dei vuoti
comunicanti (porosità efficace).
CGT Centro di GeoTecnologie
81
2010
Acquifero
Acquifero
strato o formazione geologica che permette la circolazione idrica al
suo interno, attraverso pori o fessure, costituisce la formazione
produttiva
Acquiclude
strato o formazione geologica che contiene acqua al suo interno
che non è in grado di scorrere (non interessante dal punto di vista
dell’utilizzazione)
Acquitardo
strato o formazione geologica che pur contenendo notevoli quantità
d’acqua ha una bassa permeabilità che non ne permette l’utilizzo,
CGT Centro di GeoTecnologie
82
ma che in certe situazioni consente
la
ricarica
di
altri
acquiferi
2010
Acquifero
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
83
Acquifero
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
84
Acquifero
Acquifer
o freatico
Acquifero
confinato
Acquifero
semiconfinato
Gli acquiferi sono costituiti da una parte, un gruppo
o una sola formazione di terreno sciolto o roccioso,
saturo e permeabile ed in grado di fornire una
quantità d’acqua sufficiente per un pozzo od una
sorgente.
I più produttivi e costanti come portata sono in
materiale sciolto, permeabili per porosità, seguono
quindi quelli carsici, permeabili per fratturazione e
carsismo e quelli fratturati in generale
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
85
Proprietà degli Acquiferi
Trasmissività e Coefficiente di Immagazzinamento
• sono parametri idrodinamici e sono fondamentali per ladescrizione delle
caratteristiche di un acquifero.
• Sono calcolati nelle prove di pompaggio a partire dalle misure di portata,
tempo e relativi abbassamenti.
Coefficiente di Trasmissività T [L2/T]
• esprime la capacità di un acquifero di trasferire influenze attraverso una
sezione unitaria del serbatoio, con larghezza unitaria, ed avente un’altezza
pari allo spessore della zona di saturazione, per un gradiente idraulico
unitario.
• È un concetto nel quale si assume che il flusso sia orizzontale.
• È uguale al prodotto tra la conducibilità idraulica e lo spessore saturo
dell’acquifero.
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
86
Proprietà degli Acquiferi
•
•
•
•
T = Ke per falde confinate
T = KB per falde libere
T = trasmissività (L2/T)
K = conducibilità idraulica
(L/T)
• e = spessore dell’acquifero
confinato (L)
• B = spessore saturo
dell’acquifero libero (L)
• In un sistema multistrato la trasmissività è data dalla somma delle trasmissività di
ogni singolo strato:
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
87
Proprietà degli Acquiferi
Se il carico in un acquifero libero o confinato varia, l’acqua sarà immagazzinata o espulsa.
• Coefficiente di Immagazzinamento S [L2/T]
• È adimensionale, rappresenta il volume di acqua
immagazzinata o liberata dallo stoccaggio, attraverso un
prisma verticale dell’acquifero di sezione unitaria ed
altezza pari allo spessore totale dell’acquifero, per
variazione unitaria del carico idraulico.
• In un acquifero non confinato l’immagazzinamento è dato
dalla formula:
S= Sy +BSs
•
•
CGT Centro di GeoTecnologie
2010
Sy è generalmente ordini di
grandezza maggiore di BSs.
L’immagazzinamento in un
acquifero freatico varia
normalmente tra 0.02 e 0.30.
88
Proprietà degli Acquiferi
•
•
•
Estraendo acqua da un acquifero confinato
si diminuisce la pressione
Nonostante la superficie potenziometrica
declini l’acquifero rimane saturo.
Da dove viene l’acqua liberata?
•
Il volume di acqua liberato
dall’immagazzinamento è dovuto alla
diminuzione della pressione ed è formato da
due componenti:
1) diminuendo la pressione, il liquido si
decomprime dando luogo ad un aumento di
volume (legato alla compressibilità
dell’acqua), volume che viene così liberato;
2) l’altra parte è espulsa per diminuzione delle
dimensioni dei pori (non più soggetti alla
maggiore pressione) e conseguente
compattazione dei grani, ovvero per
compressione della matrice solida.
• Valori tipici di S in acquiferi confinati sono
CGT Centro di GeoTecnologie
minori di 0.005.
2010
89
