Geologia applicata - idrogeologia

Capitolo 1: L'acqua nel sottosuolo

Idrogeologia

Idrogeologia: Branca della geologia che si occupa dello studio delle acque sotterranee.

Il ciclo idrogeologico

È un ciclo chiuso e ha come motori:

• L'energia solare
• La gravità

Si distingue in:

• Ciclo oceanico
• Ciclo continentale

I due cicli sono in contatto a causa dei movimenti laterali delle masse d'aria più o meno umide.

Una parte d'acqua:

• Non tocca il terreno
• Raggiunge il terreno ed evapora su esso
• Si infiltra

L'acqua e il terreno

I terreni hanno la capacità di fissare una certa quantità d'acqua (ritenzione).

Capacità di ritenzione = Porosità totale – Porosità efficace

La capacità di ritenere acqua dipende dalla granulometria del terreno o meglio dalla superficie specifica (definita come area superficiale della particella/massa particella).

L'acqua di ritenzione viene distinta in:

• Igroscopica: Igroscopicità, proprietà della fase solida di rivestirsi di una sottile quantità d'acqua, non risente della gravità.
• Pellicolare: Dovuta all'adesione che si esercita tra due corpi di diversa natura posti a contatto. Questa proprietà è responsabile della formazione sulle particelle di terreno di una sottile pellicola di acqua esterna a quella igroscopica. Non risente della forza di gravità.
• Capillare: Dipende dalla combinazione tra la forza di adesione tra l'acqua e lo scheletro solido del terreno e le forze di coesione esistenti tra le molecole di acqua.
• La superficie libera del liquido si comporta come una membrana tesa soggetta ad una tensione radiale superficiale T.

In un tubo capillare la combinazione di adesione e coesione produce un innalzamento dell'acqua. La risalita ha luogo sino a quando l'entità della tensione radiale è controbilanciata dal peso della colonna di acqua capillare.

Dunque si raggiunge l'equilibrio quando:

2πr * Tcosα = π * r² * hc *ψw

NB: Oltre all'acqua di ritenzione può esserci anche l'acqua gravidica.

L'acqua nel terreno

L'acqua in prossimità della superficie topografica:

• Evapora
• Viene assorbita

Ciò avviene nella porzione di terreno detta aerazione. La porzione di acqua che penetra in profondità: acqua di infiltrazione efficace. Quando giunge al terreno non più permeabile: falda idrica.

Superficie piezometrica: Separa zona satura e insatura.

Ci sono anche le acque:

• Iuvenile
• Connate

Le acque che circolano in profondità si distinguono in:

• Circolazione attiva
• Acque di fondo

Limitatamente al ciclo continentale vale: P = E + R + I

Tipi elementari di falde acquifere

Il terreno saturo consente:

• Immagazzinamento
• Deflusso
• Restituzione naturale/artificiale

Di quantità apprezzabili di acqua, esso viene definito: acquifero, l'acqua presente in acquifero viene definita: falda idrica.

2 tipi principali di falde:

• Libere-confinate
• Pressione-risaliente-artesiana-sospesa

La falda può essere presente in qualsiasi terreno che abbia una qualche porosità efficace. Una falda può essere in moto oppure pressoché ferma e dipende:

• Dalla differenza di carico

La superficie piezometrica sarà inclinata secondo la direzione di flusso. In assenza di differenze di carico o di un'inclinazione del letto, la superficie piezometrica tenderebbe a disporsi orizzontalmente.

Capitolo 2: La legge di Darcy ed il coefficiente di permeabilità

L'esperienza di Darcy

Il deflusso delle acque sotterranee è regolato dalla legge di Darcy.

Provò sperimentalmente che in un terreno avente sezione S, la portata Q che circola è:

• Inversamente proporzionale alla lunghezza dell'acquifero
• Direttamente proporzionale alla differenza di carico Δh e ad un coefficiente K legato alle caratteristiche dell'acquifero

Q = S K i

Dove i è il gradiente idraulico, ovvero la pendenza media della superficie freatica.

Definizioni di permeabilità

• Quantitativamente: quantità d'acqua libera che attraversa alla temperatura di 20° una sezione unitaria di terreno nell'unità di tempo.
• Qualitativamente: attitudine di un terreno a lasciarsi attraversare dall'acqua.

Un darcy è quindi la permeabilità di un materiale che lascia passare una portata di 1 cm³ in una sezione di 1 cm² con un gradiente idraulico di 1 atm/cm a una viscosità dinamica dell'acqua di 1/cm/s.

Determinazione del coefficiente di permeabilità

Può essere determinato in sito oppure in laboratorio. È un’attività complessa. I grani del terreno tendono a muoversi tra loro e così combinano la permeabilità (problema prova lab) se lavoro in sito invece non so mai se ho un regime costante (previsto dalla legge di Darcy). Inoltre K può cambiare di molti ordini di grandezza, quindi è un attimo sbagliare.

Misure in sito

• Prova di permeabilità in pozzetti superficiali
  • Il pozzetto può essere a base quadrata o circolare.
  • Quando si vuol conoscere la permeabilità dei terreni superficiali al di sopra del livello della falda.
  • Prova carico variabile
    • Per i pozzetti a base quadrata: K = H₂-H₁ * 1+(2h_m/b)T₂-t₁ 27(h_m/b) + 3
    • Per i pozzetti circolari: K = H₂-H₁ * dT₂-t₁ 32h_m
  • Prova carico costante
• Prove di permeabilità con anello singolo
  • Prova eseguita quando si vuol conoscere la permeabilità in particolare anche del suolo.
  • Eseguo la mia prova o a carico costante o variabile e poi costruisco un grafico tempi vs abbassamenti. V_inf= Q* l/(t*A)(H+t)K=Q*l/(t*A*H)
• Prove in foro in terreni
  • Interessano altezze limitate di terreno
  • Si usa un freatimetro
  • Ottengo la tasca di prova recuperando il tubo di rivestimento e immettendo ghiaia pulita.
  • Prova a carico costante
  • Prova a carico variabile
  • Posso misurare la velocità verticale (tengo la tasca di prova fino a tubo)
  • Posso misurare la velocità orizzontale (tengo la tasca di prova alta)
  • A variare praticamente è il rapporto H/d
• Micro mulinello
  • Consente la misura della velocità verticale dell'acqua purché compresa tra 0.1 e 2 m/s all'interno di un tubo piezometrico aperto e fenestrato.
  • Faccio una prima misura
  • Metto o tolgo acqua e faccio una seconda misura
  • Costruisco un grafico (velocità/profondità) con entrambi i risultati e posso localizzare i livelli a differente comportamento idraulico, mettendo in evidenza l'eterogeneità del terreno.
• Prove di pompaggio
  • Forniscono i valori più attendibili, ma per contro sono le prove più impegnative da un punto di vista tecnico economico.
  • Si emunge con apposite pompe una portata d'acqua costante da un pozzo e misurando gli abbassamenti del livello statico.
  • La velocità di abbassamento diminuisce via via che aumenta il volume di terreno interessato, fino alla stabilizzazione del raggio di influenza.
  • Raggio di influenza: Distanza massima alla quale si risente dell'azione di emungimento.
  • La prova si può eseguire con la durata di qualche giorno, e con l'ausilio di piezometri.
  • Il calcolo di K con pozzo che raggiunge il letto impermeabile e falda libera: K = q ln(R/r)π (H² - h²)
  • Il calcolo di K con pozzo che raggiunge il letto impermeabile e falda in pressione: K = q ln(R/r)2π e (H-h)

Prove in laboratorio

Si prende un campione di terreno senza disturbarlo troppo, lo si porta in laboratorio e si esegue una specie di prova di Darcy.

• Permeametro a carico variabile
  • Si misura la velocità con la quale l'acqua attraversa dall'alto verso il basso il campione.
  • Prima di eseguire la prova il campione viene pesato e fatto saturare.
  • Dopo la prova il campione viene estratto, pesato, inserito in forno e nuovamente pesato.
• Permeametro a carico fisso
  • Consiste nel misurare la quantità di acqua che deve essere emunta per avere da questo un drenaggio uguale e costante.
• Permabilità dalla prova edometrica
• Stime in base alla granulometria
  • Formula di Hazen: K = D² Basata sul diametro efficace del terreno
• Stima in base alla granulometria ed alla densità relativa

Capitolo 3: L'acqua negli ammassi rocciosi

La permeabilità nel materiale roccia e nell'ammasso roccioso

• Esistono rocce permeabili per porosità;
  • In laboratorio si può misurare questa permeabilità:
    • Prova su cilindro
    • Prova radiale

Negli ammassi rocciosi l'acqua circola lungo le discontinuità. Allora abbiamo:

• Permeabilità primaria
• Permeabilità secondaria
• Permeabilità mista
• Permeabilità legata al carsismo

Negli ammassi rocciosi raramente si può parlare di falda idrica poiché la circolazione dell'acqua nelle discontinuità non è costante, dunque è più corretto parlare di acquifero roccioso, la cui struttura geologica può essere:

• Semplice
• A trappola

La misura in sito della permeabilità in ammassi rocciosi

La prova di permeabilità negli ammassi rocciosi che viene più frequentemente impiegata è la Prova Lugeon. Essa ha lo scopo di misurare l'assorbimento di acqua in pressione in un tratto di un foro opportunamente isolato. In funzione di questo assorbimento viene definita la permeabilità equivalente dell'ammasso.

La prova viene eseguita in un foto di sondaggio isolando un tratto del foro (camera di prova). La prova può essere eseguita:

• In avanzamento: maggiore semplicità, uso di un solo otturatore, ma non è noto se la camera di prova viene posizionata in un tratto significativo del foro.
• In risalita: vantaggio di conoscere la stratigrafia, svantaggio uso di 2 otturatori.

Otturatore: Strumento che viene inserito nel foro e poi fatto espandere immettendo del fluido in pressione, in modo che aderisca alle pareti isolando così il tratto di interesse.

La prova ha inizio con l'immissione di acqua nella camera con il primo gradino di carico. A regime costante si registra la quantità d'acqua che viene assorbita dall'ammasso roccioso. Vengono eseguiti altri 4 gradini di carico con pressioni di immissione crescenti. Successivamente si ha la fase di scarico, con 3 gradini.

Per l'interpretazione occorre costruire un diagramma pressioni di immissioni/portata immessa (cioè assorbita dall'ammasso roccioso). Sono possibili diversi andamenti: Flusso regolare sia andata che ritorno, con proporzionalità pressoché diretta. Si può supporre che il moto sia di tipo laminare.

Comportamenti simili sia andata che ritorno, ma non vi è proporzionalità diretta tra Q e p. Moto laminare solo a basse pressioni, per poi diventare turbolento a pressioni elevate (calo della portata assorbita dovuto alla minore efficienza del moto turbolento). Non si registra proporzionalità diretta. Si ha l'intasamento delle discontinuità a pressioni di immissione elevate.

Caso in cui durante la prova la pressione dell'acqua provoca lo svuotamento delle discontinuità dal materiale di riempimento. Caso in cui si ha una fatturazione idraulica (= improvviso aumento dell'apertura delle discontinuità oppure creazione di nuove fratture con improvviso aumento della conducibilità idraulica) della roccia verificatasi in corrispondenza del ginocchio.

La prova fornisce un valore di permeabilità equivalente che viene espressa in unità Lugeon: un lugeon è pari all'assorbimento di 1 litro al minuto sotto una pressione di 1 MPa per 1 metro lineare di camera di prova.

Stima della permeabilità negli ammassi rocciosi

Quando non vi è modo di eseguire misure dirette si possono svolgere delle stime. Snow: K = (g*ap³)/(12u *sp)

Di sicuro interesse pratico è la stima della variazione della permeabilità con la profondità (diminuzione dell'apertura delle discontinuità con la profondità). La quantificazione di tali diminuzioni è però controversa. Una stima della variazione della permeabilità con la profondità è fornita da Wei & Hudson.

Capitolo 4: Le sorgenti

Le sorgenti

Sorgente: qualunque emergenza naturale di acqua dal sottosuolo. In aree montane o pianeggianti. In terre oppure in ammassi rocciosi. Esse rappresentano la manifestazione visibile in superficie di una circolazione sotterranea.

Dell'acqua di una sorgente si considerano:

• Classificazione idrogeologica
• La portata
• La temperatura
• Il chimismo

Le sorgenti possono essere classificate in base alle loro diverse caratteristiche.

Classificazione idrogeologica

• Sorgenti per limite di permeabilità
  • Limite di permeabilità definito
  • Limite di permeabilità indefinito
• Sorgenti per soglia di permeabilità (trabocco-pieghe)
• Sorgenti per affioramento della superficie piezometrica (Nb risorgive)
• Sorgenti carsiche

Classificazione considerando la portata

• Sorgenti perenni
• Sorgenti temporanee

Classificazione considerando la temperatura

• <20°
• >20°

Classificazione considerando il chimismo

L'acqua può essere distinta anche in funzione del contenuto salino e va da minimamente mineralizzata a ricca di sali minerali. Possiamo apportare una distinzione anche tra acqua medicamentosa e acqua minerale naturale.

In presenza di una sorgente naturale possono essere realizzate strutture più o meno complesse per l'ordinata raccolta e distribuzione delle acque.

Bottini di presa: Strutture atte a intercettare e convogliare le acque sotterranee, sala a contatto con la roccia o il terreno acquifero e condotto di accesso. Area protetta e recintata.

Capitolo 5: Censimento dei punti d’acqua

Principali strumenti dell'indagine idrogeologica

Una indagine idrogeologica può venire svolta per scopi diversi (ricerca acque potabili, interferenze con opere di ingegneria civile) ha spesso alcuni obiettivi in comune:

• Ricostruzione andamento delle superfici piezometriche
• Riconoscimento falde idriche
• Caratterizzazione unità idrogeologiche presente