LE ACQUE SOTTERRANEE - Ordine dei Geologi della Toscana

GIOVANNI PRANZINI
LE ACQUE SOTTERRANEE
ELEMENTI DI IDROGEOLOGIA E CASI DI STUDIO
PRESENTAZIONE
Questo volume contiene i fondamenti dell'Idrogeologia. Gli argomenti trattati coprono
praticamente tutti gli aspetti relativi alle acque sotterranee, dal ciclo dell’acqua, premessa
necessaria per i bilanci idrogeologici, fino all’inquinamento e alla gestione delle risorse idriche.
Per potere esaurire tutti questi argomenti in un numero di pagine non troppo alto, la trattazione è
stata limitata agli aspetti essenziali, cercando anche la concisione. Per gli argomenti principali
sono riportati dei casi di studio, ridotti in forma di sintesi.
I destinatari principali del volume sono gli studenti universitari dei corsi di laurea in Scienze
Geologiche, Scienze Naturali e Ingegneria Ambientale, nonché i geologi professionisti che
abbiano necessità di verificare aspetti della Geologia Applicata che non trattano normalmente
nella loro attività professionale. Ma il volume può essere utile anche ai tecnici degli enti locali e
agli amministratori pubblici, che spesso si trovano a prendere decisioni con importanti ricadute
sull’ambiente e che vogliano quindi essere informati sui fondamenti scientifici relativi alle acque
sotterranee.
Alcune parti di questo volume sono state curate, in tutto o in parte, dagli allievi dell’Autore che
si sono specializzati in rami specifici della disciplina. In particolare:
Leonardo Piccini ha collaborato alla stesura del cap. 4 (Caratteristiche fisiche e chimiche delle
acque naturali) ed ha scritto il cap. 7 (Idrogeologia dei terreni carsici).
Alessandro Gargini ha scritto buona parte dei capitoli 13 (L'inquinamento delle acque
sotterranee) e 15 (La protezione delle acque sotterranee).
Filippo Landini si è occupato delle prove di emungimento dei pozzi (§ 11.4) e della
elaborazione dati idrogeologici (§ 12.6).
Riccardo Frullini ha aggiornato il capitolo sulla bonifica dei siti inquinati (§ 13.6).
L’autore ringrazia il prof. Orlando Vaselli per la revisione critica e i preziosi suggerimenti
della parte sull’idrogeochimica (cap. 4).
Giovanni Pranzini è Professore Ordinario di Geologia Applicata presso la Facoltà di Scienze
Matematiche Fisiche e Naturali di Firenze, dove insegna Idrogeologia e Idrogeologia Applicata
nei Corsi di laurea Triennale e Magistrale in Scienze Geologiche.
L’attività di ricerca del prof. Pranzini, dopo un inizio con studi di Sedimentologia e
Neotettonica, è stata svolta in vari campi dell’Idrogeologia: acquiferi delle pianure alluvionali e
dei bacini fluviolacustri, idrogeologia carsica, idrogeochimica, intrusione marina, inquinamento e
salvaguardia degli acquiferi, bilanci idrogeologici, ricerca e gestione delle risorse idriche. E’
autore di 180 pubblicazioni scientifiche.
INDICE
1. INTRODUZIONE ........................................................................................................................................1
1.1 L'IDROGEOLOGIA ......................................................................................................................................1
1.2 IMPORTANZA DELL'ACQUA .......................................................................................................................1
1.3 LA DISPONIBILITÀ DI ACQUA IN ITALIA ....................................................................................................2
1.4 I CONSUMI D’ACQUA IN ITALIA ................................................................................................................4
1.4.1 Uso potabile ......................................................................................................................................4
1.4.2 Uso agricolo......................................................................................................................................6
1.4.3 Usi industriali....................................................................................................................................7
2. IL CICLO IDROLOGICO ..........................................................................................................................9
2.1 DISTRIBUZIONE DELL'ACQUA NEL MONDO ...............................................................................................9
2.2 IL BILANCIO IDROLOGICO .......................................................................................................................11
2.2.1 Gli afflussi meteorici .......................................................................................................................11
2.2.2 L'evapotraspirazione .......................................................................................................................15
2.2.3 Il deflusso ........................................................................................................................................19
2.2.4 L'infiltrazione ..................................................................................................................................30
2.3 IL BILANCIO IDROGEOLOGICO DI UN BACINO .........................................................................................31
Caso di studio 1 - BILANCIO IDROGEOLOGICO DEL BACINO DEL FRIGIDO (ALPI APUANE). ........................34
3. LE PROPRIETA' DELLE ROCCE NEI CONFRONTI DELL'ACQUA ......................................37
3.1 LA POROSITÀ ..........................................................................................................................................37
3.2 MISURA DELLA POROSITÀ ......................................................................................................................40
3.3 L'ACQUA NELLE ROCCE E I PARAMETRI CHE ESPRIMONO I RAPPORTI
FRA LE TRE FASI: ROCCIA, ACQUA, ARIA. ...............................................................................................40
3.4 RIPARTIZIONE DELL'ACQUA NEL SOTTOSUOLO ......................................................................................42
3.4.1 La capillarità...................................................................................................................................43
3.5 CARATTERISTICHE IDROGEOLOGICHE DELLE ROCCE ...........................................................................44
3.6 CARATTERISTICHE IDROGEOLOGICHE DELLE FORMAZIONI GEOLOGICHE...........................................45
4. CARATTERISTICHE CHIMICHE E FISICHE DELLE ACQUE NATURALI ...............................49
4.1 PROPRIETÀ FISICHE ................................................................................................................................49
4.2 PARAMETRI FISICI DELLE ACQUE NATURALI ..........................................................................................51
4.3 PARAMETRI CHIMICI ...............................................................................................................................53
4.3.1 Classificazione chimica delle acque................................................................................................55
4.4 SIGNIFICATO DEL CHIMISMO DELLE ACQUE ...........................................................................................57
4.5 LE ACQUE TERMOMINERALI ...................................................................................................................60
4.6 REQUISITI CHIMICI DELLE ACQUE PER I DIVERSI USI ..............................................................................61
4.6.1 Acque per uso potabile ....................................................................................................................61
4.6.2 Acque per l'agricoltura ...................................................................................................................62
4.6.3 Acque per usi industriali .................................................................................................................63
4.7 USO DEI TRACCIANTI IN IDROGEOLOGIA ................................................................................................63
4.7.1 Traccianti naturali ..........................................................................................................................63
4.7.2 Traccianti artificiali ........................................................................................................................66
4.7.3 Aspetti metodologici dell'uso dei traccianti ....................................................................................67
4.8 CENNI SULLE PRINCIPALI TECNICHE DI ANALISI CHIMICA ......................................................................69
Caso di studio 2 - PROCESSI DI “MIXING” DI FLUIDI NELL’AREA TERMALE DI RAPOLANO (TOSCANA)......71
5. LE LEGGI DELLA CIRCOLAZIONE DELL'ACQUA NEI MEZZI POROSI .................................75
5.1 LA LEGGE DI DARCY...............................................................................................................................75
5.1.1 Condizioni di validità della legge di Darcy ....................................................................................79
5.2 LA PERMEABILITÀ...................................................................................................................................82
5.2.1 Unità di misura della permeabilità .................................................................................................82
5.2.2 Valori di permeabilità delle rocce e velocità di flusso....................................................................83
5.2.3 Il coefficiente di permeabilità intrinseca.........................................................................................84
5.3 MISURA DELLA PERMEABILITÀ...............................................................................................................85
5.3.1 Misure di permeabilità in laboratorio.............................................................................................85
5.3.2 Misure di permeabilità in campagna ..............................................................................................86
6. LE FALDE IDRICHE ................................................................................................................................89
6.1 TIPI DI FALDE ..........................................................................................................................................89
6.2 RAPPRESENTAZIONE DEGLI ACQUIFERI ..................................................................................................92
6.3 RICOSTRUZIONE DELLA SUPERFICIE PIEZOMETRICA ..............................................................................93
6.3.1 Esecuzione delle misure di livello ...................................................................................................94
6.3.2 Disegno delle isopieze.....................................................................................................................96
6.3.3 Interpretazione delle carte con le isopieze......................................................................................97
6.4 VARIAZIONI DI LIVELLO DELLA SUPERFICIE PIEZOMETRICA ................................................................100
Caso di studio 3 - LA FALDA DI FIRENZE........................................................................................................103
7. IDROGEOLOGIA DEI TERRENI CARSICI ...........................................................................................107
7.1 IL CARSISMO .........................................................................................................................................107
7.2 CENNI DI CHIMICA DEI PROCESSI CARSICI IN ROCCE CARBONATICHE ..................................................109
7.3 MORFOLOGIA DEGLI AMBIENTI CARSICI ...............................................................................................111
7.4 STRUTTURA DEI SISTEMI CARSICI .........................................................................................................112
7.5 CARATTERI IDROGEOLOGICI DEGLI ACQUIFERI CARSICI ......................................................................114
7.5.1 Porosità e permeabilità .................................................................................................................114
7.5.2 Superficie freatica o piezometrica.................................................................................................116
7.6 STUDIO E SFRUTTAMENTO DEGLI ACQUIFERI CARSICI..........................................................................117
Caso di studio 4 – ACQUIFERI CARBONATICI E SORGENTI CARSICHE DELLE ALPI APUANE. ........................119
8. LE SORGENTI ..........................................................................................................................................123
8.1 TIPO DI EMERGENZA .............................................................................................................................123
8.2 PORTATA DELLE SORGENTI...................................................................................................................126
8.3 TEMPERATURA DELLE ACQUE SORGIVE ...............................................................................................129
8.4 CHIMISMO DELLE ACQUE SORGIVE .......................................................................................................130
8.5 LE SORGENTI CARSICHE ........................................................................................................................130
8.6 DISTRIBUZIONE E PORTATA DELLE SORGENTI DI UN SISTEMA IDROGEOLOGICO..................................133
8.6.1 Distribuzione delle sorgenti ..........................................................................................................133
8.6.2 Portata complessiva delle sorgenti ...............................................................................................134
8.7 CAPTAZIONE DI UNA SORGENTE ...........................................................................................................136
Caso di studio 5 – LE SORGENTI DELLA CALVANA (PRATO): BILANCIO IDROGEOLOGICO
DI UN ACQUIFERO CARBONATICO. ..................................................................................................................137
9. LA RICERCA DI ACQUA DI SOTTOSUOLO.......................................................................................141
9.1 INDAGINI GEOLOGICHE .........................................................................................................................141
9.2 TELERILEVAMENTO ..............................................................................................................................142
9.3 METODI GEOFISICI ................................................................................................................................143
9.3.1 Metodi sismici ...............................................................................................................................143
9.3.2 Metodi elettrici ..............................................................................................................................144
9.3.3 Metodi elettromagnetici ................................................................................................................152
9.4 INDAGINI DIRETTE DI SOTTOSUOLO ......................................................................................................154
9.4.1 Campioni di perforazione..............................................................................................................154
9.4.2 Carotaggi geofisici in pozzo..........................................................................................................155
10. PERFORAZIONE, COMPLETAMENTO E SVILUPPO DEI POZZI ...................................................157
10.1 METODI DI PERFORAZIONE DEI POZZI ................................................................................................157
10.1.1 Pozzi scavati a mano o con tecnologia semplice.........................................................................157
10.1.2 Pozzi a percussione ....................................................................................................................158
10.1.3 Pozzi a rotazione ........................................................................................................................159
10.2 COMPLETAMENTO DEI POZZI .............................................................................................................161
10.2.1 Messa in opera della colonna .....................................................................................................161
10.2.2 I filtri ...........................................................................................................................................163
10.2.3 Il dreno ........................................................................................................................................164
10.3 SVILUPPO (SPURGO) DEI POZZI...........................................................................................................164
10.4 MANUTENZIONE DEI POZZI ................................................................................................................166
11. IDRODINAMICA DEI POZZI ...............................................................................................................167
11.1 IL LIVELLO DINAMICO IN UN POZZO....................................................................................................167
11.1.1 Il metodo di Porchet ....................................................................................................................169
11.1.2 Il coefficiente di immagazzinamento ...........................................................................................170
11.2 IDRODINAMICA DEI POZZI: IL METODO DI EQUILIBRIO .....................................................................171
11.2.1 Caso di un acquifero confinato ...................................................................................................172
11.2.2 Caso di un acquifero libero.........................................................................................................174
11.2.3 Applicazioni del metodo di equilibrio .........................................................................................176
11.3 METODO DI NON EQUILIBRIO ..............................................................................................................179
11.3.1 Metodo di Theis...........................................................................................................................180
11.3.2 Metodo dell'approssimazione logaritmica di Cooper-Jacob ......................................................181
11.3.3 Applicazione del metodo senza piezometro.................................................................................183
11.3.4 Interpretazione generale della retta caratteristica .....................................................................184
11.3.5 Il metodo delle immagini.............................................................................................................188
11.3.6 La curva di risalita......................................................................................................................193
11.4 LE PROVE DI EMUNGIMENTO .............................................................................................................195
11.4.1 Prove su pozzo singolo ................................................................................................................195
11.4.2 Prove di emungimento con stazioni di controllo piezometrico ...................................................197
12. LA GESTIONE DELLE ACQUE SOTTERRANEE...........................................................................201
12.1 VALUTAZIONE DELLE RISERVE IDRICHE ..........................................................................................201
12.2 LE RISERVE SFRUTTABILI....................................................................................................................202
12.3 IL BILANCIO IDROGEOLOGICO DEGLI ACQUIFERI DI SOTTOSUOLO .....................................................205
12.3.1 Metodologia di calcolo dei termini del bilancio idrico...............................................................206
12.4 L'OTTIMIZZAZIONE DELLO SFRUTTAMENTO DELLE RISORSE IDRICHE ..............................................210
12.5 LA RICARICA ARTIFICIALE DELLE FALDE............................................................................................211
12.6 ARCHIVIAZIONE ED ELABORAZIONE DATI MEDIANTE STRUMENTI INFORMATICI ..............................213
12.6.1 Archiviazione elettronica dei dati ...............................................................................................214
12.6.2 Elaborazione dati e geostatistica ................................................................................................214
12.6.3 I modelli numerici .......................................................................................................................215
Caso di studio 6 – BILANCIO DELLA FALDA DI PRATO ...................................................................................218
13. L'INQUINAMENTO DELLE ACQUE SOTTERRANEE .....................................................................223
13.1 CONSIDERAZIONI GENERALI ...............................................................................................................223
13.2 ORIGINE DELL'INQUINAMENTO ...........................................................................................................224
13.2.1 Modalità di immissione dell'inquinante nell'ambiente................................................................224
13.2.2 Attività fonti potenziali di inquinamento .....................................................................................224
13.3 INQUINANTI DELLE ACQUE SOTTERRANEE .........................................................................................226
13.3.1 Le specie chimiche come inquinanti............................................................................................227
13.3.2 Composti organici .......................................................................................................................229
13.4 IL TRASPORTO DEGLI INQUINANTI NELLA ZONA NON SATURA ...........................................................231
13.4.1 La zona non satura ......................................................................................................................231
13.4.2 Il movimento dell'acqua nella zona non satura...........................................................................233
13.4.3 Il potere autodepurante del terreno ............................................................................................234
13.5 IL TRASPORTO DEGLI INQUINANTI IN FALDA ......................................................................................239
13.5.1 Parametri idrodinamici ed idrodispersivi dell'acquifero............................................................239
13.5.2 Morfologia della superficie piezometrica ...................................................................................242
13.5.3 Tipologia dell'inquinante ............................................................................................................243
13.5.4 Tipologia di emissione della sorgente inquinante.......................................................................245
13.6 IL DISINQUINAMENTO DEGLI ACQUIFERI CONTAMINATI ....................................................................246
13.6.1 Delimitazione dell'area contaminata ..........................................................................................247
13.6.2 Interventi di bonifica del terreno contaminato............................................................................250
13.6.3 Interventi di disinquinamento dell'acquifero...............................................................................253
Caso di studio 7 – UN CASO D’INQUINAMENTO DA SOLVENTI CLORURATI ....................................................258
14. L’INTRUSIONE DI ACQUA MARINA...............................................................................................263
14.1 L'EQUILIBRIO FRA LE ACQUE DOLCI E QUELLE MARINE......................................................................263
14.2 PREVENZIONE E CONTROLLO DELL'INTRUSIONE DI ACQUA MARINA ..................................................266
14.3 ALTRE CAUSE DI SALINIZZAZIONE DELLE FALDE COSTIERE ...............................................................267
Caso di studio 8 - SALINIZZAZIONE DELLE FALDE DELLA PIANURA DI GROSSETO. .......................................269
15. LA PROTEZIONE DELLE ACQUE SOTTERRANEE ........................................................................273
15.1 LA PIANIFICAZIONE TERRITORIALE ....................................................................................................273
15.2 LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ DEGLI ACQUIFERI ............................................................274
15.2.1 I fattori di vulnerabilità...............................................................................................................274
15.2.2 Le Carte della vulnerabilità ........................................................................................................279
15.2.3 Le Carte della vulnerabilità degli acquiferi permeabili per fratture ..........................................289
15.2.3 I limiti delle Carte di vulnerabilità..............................................................................................289
15.3 IL RISCHIO D’INQUINAMENTO .............................................................................................................289
15.3.1 La pericolosità.............................................................................................................................290
15.3.2 Il valore della risorsa..................................................................................................................291
15.3.3 Le Carte del rischio.....................................................................................................................291
15.4 LE AREE DI SALVAGUARDIA DI POZZI E SORGENTI .............................................................................292
15.4.1 Protezione statica........................................................................................................................292
15.4.2 Protezione dinamica....................................................................................................................296
15.4.3 Attuazione delle aree di salvaguardia........................................................................................297
15.4.4 Aree di rispetto delle sorgenti .....................................................................................................297
GLOSSARIO DI IDROGEOLOGIA .......................................................................................................................301
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................305