L`acqua in natura Ciclo idrologico o Ciclo dell`acqua

Laurea Triennale in Scienze Geologiche_codice N90
Corso _ Geologia Applicata - Idrogeologia
L’acqua in natura
Ciclo idrologico o Ciclo dell’acqua
Prof. V. Allocca1
1 Università
degli Studi di Napoli “Federico II”, DiSTAR
Le acque naturali, dal punto di vista idrogeologico, si suddividono in:
(acque di evaporazione, evapotraspirazione)
(contenute sulla superficie terrestre)
(contenute nel suolo e
sottosuolo)
µ = viscosità dinamica ( N ×
sec / m2 )
(resistenza del fluido al moto).
(per es. 1 dS/m. = 1 mS/cm = 1.000µS/cm).
Acque di infiltrazione
acqua di infiltrazione efficace
(quella che penetra in profondità e alimenta falde,
sorgenti, e attraverso le falde: fiumi, laghi, mari);
acque a circolazione attiva
(velocità di flusso = m/g)
acqua di evapotraspirazione (reale o
potenziale)
(viene trattenuta nella zona più prossima al suolo (nei
primi cm/dm o metri di suolo)
acque di fondo, a circolazione meno attiva
(velocità di flusso = m/a)
Acque juvenili: acque di origine profonda, connesse con manifestazioni idrotermali, di corpi magmatici
in fase di raffreddamento.
Acque fossili (o acque connate): acque di imbibizione, intrappolate nell’acquifero,
fin dalla formazione della roccia.
Acque da cristalli di neoformazione: acque che si originano da processi chimico-fisici,
durante la formazione di minerali e l’espulsione dell’acqua dal loro reticolo cristallino.
Energia solare
Forza gravitazionale
Circolazione attiva
(V = m/g)
Circolazione attiva
(V = m/g)
acque di fondo, a circolazione meno attiva
(V = m/anno)
Ciclo idrologico a scala globale ⇒
P = Er
P = quantitativi d’acqua di precipitazione (∼
∼ 500×103 km3/a);
Er = quantitativi d’acqua di evapotraspirazione (∼
∼ 500×103 km3/a);
Il complesso “terra-roccia-aria-acqua” ⇒ ~ acquifero
Definizione di “mezzo poroso”: sistema multifase o trifase costituito da: una fase liquida
(acqua), una fase solida (matrice, granuli, cemento, roccia) e una fase gassosa (presenza di
vuoti, pori, fratture, occupati in parte da aria e acqua).
(Ø) VUOTI / PORI / MEATI: micropori: Ø < 0,002 mm (Ø < 20 µm); ⇒ mesopori: 0,002 < Ø < 0,05 mm; ⇒ macropori: Ø > 0,05 mm (Ø > 50 µm).
Definizione di acquifero
Acquifero (portatore di acqua gravifica): corpo geologico, formazione o strato che, in condizioni di
saturazione, può trasmettere quantitativi di acqua significativi sotto l’azione di un carico potenziale
ordinario, tale da poter essere considerato fonte di approvvigionamento (Meinzer, 1923).
Acquifero: roccia o insieme di rocce o terre permeabili che, per vicissitudini geologiche legate alla
genesi e alla loro messa in posto, hanno ereditato caratteristiche idrogeologiche/fisiche tali da
consentire l’infiltrazione, l’immagazzinamento, il deflusso e la restituzione (o l’estrazione) di acque
sotterranee, in quantità significative, in relazione all’uso cui esse sono destinate (Celico, 1986).
Oltre agli acquiferi, ci altri corpi geologici di interesse idrogeologico
Aquitard: corpi geologici che, in condizioni di saturazione, possono
trasmettere quantitativi di acqua poco significativi sotto l’azione di un
“carico idraulico ordinario”;
Aquiclude: corpi geologici che, in condizioni di saturazione, possono
trasmettere quantitativi di acqua trascurabili, sotto l’azione di un carico
idraulico ordinario;
Acquifuge: corpi geologici che non contengono e non possono contenere acque
sotterranee (roccia integra).
Rappresentazione degli acquiferi, aquitard e aquiclude (o “altri acquiferi”?)
3
2
1
La porosità totale (o apparente e/o assoluta) si quantifica attraverso il “coefficiente di
porosità totale” ((pt) o (n) espresso in %) dato dal rapporto percentuale:
 Vv volume totale vuoti
p t = (n) = 
 Vt volume totale roccia
 Vt
p t = (n) = 


Vv 
× 100 ⇔ 
 × 100
 Vt 

volume totale roccia
Vt
− Vs
volume parte solida
volume totale roccia
(espresso in %)

  × 100 (espresso in %)
 
Vv = volume di tutti i vuoti presenti nel campione di roccia;
Vt = volume totale della roccia;
Vs = volume della parte solida.
Pt può variare tra (0) teorico (roccia priva di pori) e valori di 0,7÷0,9 (argille, molto
porose);
Influenza della granulometria sulla porosità totale
La porosità efficace esprime la capacità di percolazione o di filtrazione: è la capacità delle rocce di
cedere acqua per azione della forza di gravità, secondo un moto di filtrazione prevalentemente
laminare.
 Vg
p e = (n e ) = 

volume acqua gravifica /
Vt
volume vuoti interconnessi
volume totale roccia
Vacqua gravifica = Vvolume apparente × p e
(m 3 )

×100

(%)
Metodo “saturazione/drenaggio”
Un campione di sabbia di 1000 cm3, inizialmente asciutto, viene messo a saturazione immergendolo
in acqua;
L’acqua di saturazione (o acqua gravifica) del campione viene fatta “cedere” a gravità in un
contenitore di volume noto;
Tutto il volume d’acqua gravifica liberato “per percolazione” è pari a 120 cm3.
 Vg volume acqua gravfica
n e = p e = 
 Va volume totale roccia
V

K×i
 × 100 ( in %) ⇔ n e = apparente o totale = ne = 

Vreale
 Vreale 

Il contenuto d’acqua (W) è definito come la quantità di acqua (espressa in %)
presente nel terreno rispetto alla fase solida.
Mw la massa di acqua presente nel terreno;
M 
W =  w  × 100 (espresso in %)
 Ms 
Ms la massa di granuli solidi della roccia.
Il valore di (W) variare da 0 a 1:
0 ⇒ terreno secco o asciutto (dry);
∼ 100% ⇒ terreno saturo.
Coefficiente di saturazione
La capacità di assorbimento è la proprietà che hanno le rocce di assorbire acqua, fino a saturarsi.
I vuoti intergranulari possono essere occupati, oltre che dall’acqua di ritenzione, anche dall’acqua
gravifica, cioè dall’acqua che è libera di muoversi, nei meati intercomunicanti, per effetto della forza di
gravità.
Coefficiente di saturazione (Sr)
 Vw
Sr = 


volume totale acqua (acqua ritenzione + acqua gravifica)
Vv
volume totale dei vuoti / pori roccia
S = coefficiente di saturazione;

 × 100 (espresso in %)


Vw = volume totale di acqua (acqua di ritenzione + acqua
gravifica, se c’è);
Vp = volume totale dei pori (interconnessi e non).
W (%): contenuto d’acqua del campione;
W (%) = [Pw / Ps] × 100
Pw: peso dell’acqua;
Ps: peso del campione essiccato (peso parte solida).
Grado di permeabilità relativa
La permeabilità relativa è la permeabilità di un singolo litotipo o di un insieme di
termini litologici simili, valutata per comparazione con quella delle rocce o di gruppi di
rocce adiacenti o circostanti.
La permeabilità relativa è comunque un parametro importante per confrontare tra
loro più rocce o gruppi di rocce.
La permeabilità relativa è un parametro idrogeologico qualitativo, espresso sulla base di
dati di campo e delle comparazioni con altri litotipi posti a contatto.
La permeabilità relativa è espressa in gradi relativi.
Grado di permeabilità relativa:
Es: grado elevato, medio, basso, bassissimo, “impermeabile”.
Porosità e permeabilità relativa:
tipo e grado
Permeabilità intrinseca (Ki)
La permeabilità intrinseca (ki) (espressa in darcy, cm2, m2) dipende solo dalla struttura del mezzo,
dalla sua granulometria. A differenza della conducibilità idraulica, non dipende dalle caratteristiche del
fluido.
(darcy, cm2, m2)
(
Ki = C × d
2
)
2
(cm )
1 darcy → 10−5 m/s = 10−3 cm/s.
(1 darcy = 9,87×10-9 cm2)
(C) = coefficiente o fattore di forma che tiene conto della granulometria, tipo di aggregazione,
forma e disposizione dei granuli, porosità totale e efficace;
de = diametro efficace al flusso, diametro utile al flusso, ai fini del passaggio d’acqua nei pori,
corrispondente al d10 della curva granulometrica del campione (quando il d10 è compreso tra 0,1 e 3
mm).
Q = Ki × (ρ
ρ × g / µ) × (S) × (i) ⇒
Ki = (Q × µ) / (ρ
ρ × g × S × i)
de = diametro efficace corrispondente al d10 della curva granulometrica
d10
0,06
C
= fattore di forma (adimensionale) può variare da 45,8 nelle sabbie argillose, a 142 nelle sabbie
pure; 100 può essere un valore comune-medio; altri Autori propongono: C = 150 × ( n / 0,45 ). La
formula non è valida per n = pt = < 0,4 (porosità totale < 40%)
Conducibilità idraulica (m/s) o Permeabilità assoluta
La permeabilità è la proprietà che hanno le rocce di lasciarsi attraversare dall’acqua, quando
sottoposta ad un gradiente idraulico.
La permeabilità assoluta o conducibilità idraulica (K) dipende dalle proprietà del fluido
interstiziale, oltre che della struttura del mezzo (granulometria) e della disposizione dei granuli e meati
più ristretti (porosità efficace).

g
K =  K i × ρ ×  (cm/s; m/s)
µ

(Ki) = permeabilità intrinseca (m2); ρ = densità del fluido (kg/m3); acqua = 1000 kg/m3 = 1 g/cm3 µ = viscosità
dinamica (N×s/m2) (resistenza del fluido al moto); g = accelerazione di gravità (m/s2).
Acquiclude
Acquitard
Acquifero
Relazione tra permeabilità intrinseca e conducibilità idraulica
alimentazione
costante di acqua
Vasca/serbatoio
di carico
Permeametro a carico costante
7 cm
scarico
(valido per le sabbie e sabbie medio-grossolane)
6 cm
Vasca/serbatoio
di scarico
dH
5 cm
flusso d’acqua
sfiato
setto poroso
Il diametro interno (Ø) della cella permeametrica che
contiene il campione di terra è in genere di ~ 5 cm, mentre la
lunghezza interna (L) del campione è di 15 cm.
volume d’acqua
al tempo t
A = area
della sezione
L
15 cm
(Ø) cella ~ 5 cm
campione
Durante ogni step, si misura il volume di acqua raccolto
(V, cm3) ed il tempo di durata della prova (t): si calcolo poi la
portata (Q) e, di conseguenza, la velocità (v, cm/s), che
riportata su di un grafico in scala aritmetica insieme ai
gradienti idraulici (i).
cella
permeametrica
setto/piastra
porosa
setto poroso
Legge di Darcy
L’esperimento consiste in ∼ 8-10 prove/step con diversa
differenza di carico (∆
∆H) e durata (t). Ogni step è a carico
costante ∆H;
Prova
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Q = KAdH/ L mc/ sec
dH (cm)
5
6
7
8
9
10
12
14
16
18
Principio di continuità
Volume
V (cm3)
4
3.5
5
5.5
3
6
3.5
3
6
4.5
Tempo
t (sec)
125
92
106
112
46
92
48
34
61
45
Q = v1 A1 =v2 A2=cost.
da cui:
v = Ki
Q = V/t
v = Q/A
i = dH/L
coefficiente di permeabilità di Darcy
0,007
Q = K × S × i = Q/S = K×i = V = K×i = K = V/i
velocità (cm/ sec)
0,006
0,005
0,004
k = (V × L) / Α × t × h (m/s; cm/s)
V (velocità
di flusso)
K =
i (gradiente
idraulico)
V
K = 

K = v/ i
× L 
( A × h × ∆ t ) 
volume
d' acqua
0,003
,
0,002
0,001
0
0,2
y = (a × x) + c ; c = 0
0,4
0,6
gradiente idraulico
0,8
1
i = ∆h / L
Grafico “velocità-gradiente idraulico” ricavato dalla prova con il permeametro a carico
costante. La conducibilità idraulica per il campione si ottiene da una qualunque coppia di valori
(v) – (i) della retta.
PERMEAMETRI a carico variabile (valido per le sabbie limose, limi limi-sabbiosi e limi-argillosi)
tempo t0
atubicino = area del tubicino permeametrico di carico
t0
(cm);
h
Asuolo = area campione di suolo prelevato (cm);
∆t = tempo di misura (in sec); tempo di durata dello
48 cm h0
tempo t1
sfiato
Vasca/serbatoio
di scarico
h1
t1
L = lunghezza campione (cm);
h0/h1 = rapporto tra carico iniziale ed a fine prova-
flusso d’acqua
setto poroso
step (dal grafico).
Q = πrb2 x dh/dt (flusso nel tubo; Q = vA)
campione
2rs =
diametro
campione
L
15 cm
(Ø) cella ~ 5 cm
volume d’acqua
al tempo t
step di prova, dato dalla differenza tra t0-t1;
diametro tubo = 2rb
Q = πrs2 x K h/L (flusso attraverso il campione,
legge di Darcy)
Tubicino
permeametrico
setto poroso
rb2aL2 tubicino di carico × L 
h0


K =  2ln h0/h1
× ln

K = -----h1
rs2At campione suolo × ∆t 
Step di prova
H0(cm) 48
50.5
59
60
50
49
55
52
60
65
H1(cm) 42.5
44
50.5
47
35
32
37
45
49
47
781
1162
1423
1270
421
644
1000
H0/H1
1,2
Tempo 422
(sec)
1,4
461
1,3
505
Il diametro del contenitore che contiene il
campione è in genere di 5 cm, la lunghezza (L)
del campione è di 15 cm.
L’esperimento consiste in ∼ 10 prove/step con
diversa differenza di carico (∆
∆H) e durata. DH è
variabile durante ogni step;
In lab si misura H0 e H1 finale dopo un tempo
t dall’inizio della prova.
1,6
1,5
h0/ h1
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
tempo (sec)
Il grafico “tempo - rapporto tra “carico iniziale/carico finale” (per ogni step), consente di
calcolare la conducibilità idraulica con il permeametro a carico variabile. Ogni coppia di valori
che giace sulla retta di correlazione fornisce il valore di K.
 a 2 tubicino di carico × L 
h
 × ln 0
K =  2
h1
 A campione suolo × ∆t 
Metodo idrochimico (metodo dei traccianti)
vr × pe
K=
(cm/s; m/s)
i
p e × L2
(cm/s; m/s)
K=
h×t
vr = l/t (m/s)
vr = velocità reale (o effettiva della falda; m/s);
ne = pe = porosità efficace (%) dell’acquifero
saturo;
i = gradiente idraulico (%);
L = distanza pozzo-piezometro;
t = tempo di arrivo del tracciante (sec);
h = perdita di carico potenziale.
Trasmissività (Theis, 1938)
La potenzialità/produttività dell’acquifero e la produttività delle opere di captazione è funzione sia
della k sia dello spessore della falda.
T = k × H (per falde libere)
⇒
T = k × e (per falde in pressione)
sostituendo nelle formule precedenti si ha:
Q=T×L×i
(falde libere)
Q=T×L×i
(falde confinate)
b
T = ∫ K × dz
0
Portata unitaria, in funzione di (T)
qu = T × i = K × H × i (m2/s);
T = volume di acqua gravifica che passa nell’unità di tempo, per effetto di un gradiente idraulico
unitario, attraverso una sezione (ortogonale al flusso) di larghezza unitaria e di altezza pari allo
spessore dell’acquifero saturo. Indica la capacità dell’acquifero di trasmettere l’acqua gravifica.
Falda libera o falda freatica
Falda libera, confinata (o in pressione) e falda artesiana
Trasmissività dell’acquifero
Trasmissività
10-0 ÷ 10-3 m2/s
⇒
acquiferi trasmissivi o molto
trasmissivi
Trasmissività
10-3 ÷ 10-5 m2/s
⇒
acquiferi mediamente trasmissivi
Trasmissività
< 10-5 m2/s
⇒
acquiferi poco o niente
trasmissivi
Complesso idrogeologico
Per complesso idrogeologico si intende uno o più termini litologicamente simili, caratterizzati da una
soddisfacente similitudine stratigrafico-strutturale, aventi una comprovata unità spaziale e giaciturale,
da un prevalente tipo di permeabilità relativa comune ed un grado di permeabilità relativa che si
mantiene generalmente in un campo di variazione piuttosto ristretto, oltre che una capacità
ricettiva e di deflusso sotterraneo sostanzialmente omogenei (Civita, 1973; modificata).
Per serie idrogeologica/idrostratigrafica ( ⇒ serie stratigrafica ) si intende un insieme di
complessi idrogeologici stratigraficamente giustapposti, al cui interno il condizionamento della
circolazione idrica sotterranea può avvenire nelle zone di contatto tra litotipi a diversa
“permeabilità”.
Per impermeabile relativo si intende uno o più complessi idrogeologici che giustapposto/i o
laterale/i ad altri più permeabile/i, ne tampona/no (parzialmente o totalmente) la circolazione idrica
sotterranea.
Per unità idrogeologica si intende un dominio idrogeologico dotato di un’unità stratigrafica e/o
strutturale e/o morfologica, ai cui limiti si verificano condizioni che possono annullare od ostacolare le
possibilità di interscambi idrici sotterranei ed al cui interno i termini litologici sono a comportamento
idrogeologico “omogeneo”, nel tipo e nel grado di permeabilità, nei confronti dell’ infiltrazione,
dell’immagazzinamento e del deflusso delle acque sotterranee.
Unità idrogeologica
del Monte Terminio
Unità idrogeologica del Monte Cervialto