Idrogeologia - riassunto completo per il corso

Idrogeologia

Definizione

L’idrogeologia è una branca della geologia applicata che studia la ricerca, la captazione, la salvaguardia e la protezione delle risorse idriche di un territorio. L’idrogeologo è una figura molto importante che deve sempre essere aggiornata riguardo la normativa vigente. Idrogeologia è la scienza che studia le acque che si infiltrano nelle formazioni rocciose e che vanno a formare gli acquiferi. L’idrologia invece studia le acque superficiali (laghi, fiumi, ecc.).

Storia

I primi ad interessarsi all’idrogeologia furono i francesi, con Henry Darcy che nel 1856 espresse la prima legge dell’idrogeologia. Successivamente ricordiamo: Dupuit, Thiem, Theis, Lucas, Maizner. Attualmente l’idrogeologia moderna è rivolta alla ricerca degli acquiferi, al recupero degli inquinanti/siti contaminati e gestione delle piene fluviali.

L'acqua in natura

La molecola pura dell’acqua è H₂O, con 2 molecole di H⁺ legate da legami covalenti a 1 mol di O^2-, formando un angolo di 105° (molecola asimmetrica). Le acque naturali si dividono principalmente in:

• Acque atmosferiche (stanno in atmosfera), sono: vapore, precipitazioni liquide (pioggia, rugiada), precipitazioni solide (neve, grandine, brina)
• Acque litosferiche (sulla litosfera), sono: acque superficiali (corsi d’acqua), acque sotterranee

Ciclo idrologico

L’acqua presente sulla superficie del mare e sui continenti è costantemente soggetta ad un ciclo idrologico chiuso, che si ripete con continuità. Il motore del ciclo è l’energia solare insieme alla forza di gravità. L’acqua evaporata finisce nell’atmosfera dove il vapore si condensa e scende per gravità verso le superfici continentali e verso l’idrosfera. L’acqua che finisce sull’idrosfera segue il ciclo oceanico, quella che cade sul terreno segue il ciclo continentale (più complesso). Le acque che cadono sulla litosfera si dividono in:

• Acque superficiali (rimangono sulla superficie), formate da acque di evaporazione (che tornano nell’atmosfera) e acque di ruscellamento superficiale (che si gettano in mare tramite corsi d’acqua)
• Acque di infiltrazione (si infiltrano nelle rocce), formate da acque di evapotraspirazione (che non arrivano in profondità e tornano in atmosfera per evapotraspirazione), acque di infiltrazione efficace (se hanno breve permanenza si chiamano acque di circolazione attiva, che finiscono nei corsi d’acqua, se arrivano in profondità elevate si chiamano acque di fondo)

Esistono poi le acque fossili, intrappolate negli acquiferi al momento della formazione, e le acque iuvenili, di origine idrotermale da corpi magmatici in via di raffreddamento.

Precipitazioni

Le precipitazioni si formano a partire dall’umidità atmosferica che, grazie al raffreddamento delle masse d’aria, fa condensare le goccioline contenute nelle nubi, attorno a nuclei di condensazione, che poi si trasformano in precipitazioni. La quantità di acqua precipitata si calcola misurando l’altezza di precipitazione P, che avrebbe se cadesse su di una superficie nota orizzontale e non si infiltrasse, non evaporasse e non scorresse. P si ricava dal volume d’acqua precipitato su una superficie orizzontale, 1 mm/m² = 1 lt. L’intensità media im è il rapporto tra P (altezza di precipitazione) e durata della precipitazione; è una velocità (mm/h).

Misure pluviometriche

Avvengono utilizzando i pluviometri, strumenti di diverso tipo che raccolgono le acque precipitate e ne misurano l’altezza di precipitazione P. Devono essere posti ad un’altezza di almeno 1,5 m dal suolo, in posizione orizzontale, in luoghi aperti.

• Pluviometri comuni - recipienti ad imbuto che raccolgono l’acqua e fanno misurazioni ogni 24h
• Pluviometri totalizzatori - con serbatoi più capienti, fanno misurazioni ad intervalli più lunghi
• Pluviografi - fanno misurazioni in continuo e in modo digitale
• Pluvionivometri - per misurazioni del manto nevoso

Rappresentazione dati pluviometrici

I dati pluviometrici sono riportati all’interno di tabelle, rappresentati tramite diagrammi e riportati su carte topografiche e geologiche. Sono:

• Tabelle e grafici cronologici - precipitazioni giornaliere, mensili, stagionali, annuali, misurate nelle stazioni pluviometriche. Uso di istogrammi
• Curve cumulative - diagrammi cartesiani con: ascisse - tempo (mese, giorno, anno); ordinate - precipitazioni relative al tempo
• Parametri statistici - esprimono un insieme di dati utilizzando dei parametri:

Modulo pluviometrico annuale - precipitazioni che cadono mediamente in 1 anno. Misurazioni per 30/35 anni.

Precipitazioni medie mensili - precipitazioni che cadono mediamente in 1 mese.

Indice di piovosità - rapporto precipitazioni di 1 anno-modulo pluviometrico annuale.

Coefficiente pluviometrico mensile - rapporto precipitazioni reali-precipitazioni teoriche di 1 mese.

• Carta delle piogge - carta che rappresenta un territorio attraverso delle curve chiamate isoiete che uniscono tutti i punti con uguale altezza di precipitazione (costruite a partire dai dati dei pluviometri della zona)
• Ietogrammi - sono modelli più o meno complessi che permettono di visualizzare l’evoluzione nel tempo (es. ogni ora) di un singolo evento atmosferico (pioggia)

Tutte queste elaborazioni fino al 2000 erano fatte dal Servizio Idrografico Nazionale, che compilava l’annale idrologico, ma ora spettano alle singole regioni che pubblicano tutti i dati sul sito internet ISPRA e Geoportale Nazionale.

Solido di pioggia

Le misure delle precipitazioni sono puntuali, ovvero bisogna valutare la quantità di pioggia che affluisce in un intervallo di tempo su una data area. Il volume della pioggia è pari al volume del solido di pioggia. Il rapporto tra il volume e area di base fornisce un’altezza (h) chiamata altezza ragguagliata alla superficie. Si definisce solido di pioggia il prismoide che ha come base inferiore la proiezione dell'area e come base superiore una superficie che si trova ad una altezza (h) pari all'altezza della pioggia caduta.

Calcolo delle precipitazioni

Per ottenere il Volume delle Precipitazioni (Pv) cadute su una determinata superficie (A) occorre moltiplicare l’estensione di quest’ultima per l’altezza d’acqua.

Esistono principalmente tre metodologie per il calcolo delle precipitazioni:

1. Il metodo della Media Aritmetica

   Si utilizza quando c’è una distribuzione uniforme delle stazioni pluviometriche e consiste nell’effettuare una semplice media aritmetica dei dati disponibili per il bacino preso in considerazione.

   Ad esempio: Per un territorio che comprende 3 stazioni pluviometriche (n), si può dire che sia caratterizzato da una piovosità media (Pm) pari alla media dei valori (Pi) misurati alle singole stazioni. Media delle Piogge annue misurate sui vari pluviometri: Pm=(P1+P2+P3)/n

   Il Volume di acqua medio annuo (Lama d’Acqua), caduto sull’intero bacino è: Pm*A, dove (A) sta per l’area del bacino. Il Valore così ottenuto è definito “Pioggia Media” per un determinato territorio.

2. Il metodo delle Isoiete

   Isoieta: Linea che unisce i punti che hanno lo stesso valore di piovosità in un bacino. Il Metodo consiste nel tracciare delle linee (isoiete). All’area delimitata dalle isoiete viene assegnato il valore medio tra le due isoiete confinanti. L’altezza effettiva delle precipitazioni è data dalla MEDIA PESATA basata sulla dimensione effettiva delle aree tra le isoiete. Questo metodo è probabilmente il migliore in caso di una discreta distribuzione delle stazioni pluviometriche. Si ottiene una carta delle isoiete.

3. Il metodo dei Topoieti o poligoni di Thiessen

   Questo metodo consiste nel determinare graficamente le aree di influenza dei singoli pluviometri. La zona di interesse è divisa in n aree, una per ciascuna stazione. Unendo con dei segmenti tutte le stazioni tra loro contigue situate nel bacino o nelle immediate vicinanze, otteniamo un reticolo a maglie triangolari, e tracciando le perpendicolari nel punto medio di ciascun segmento, si vengono a formare dei poligoni irregolari, ciascuno dei quali contenente una stazione di misura situata in prossimità del centro.

   L’individuazione dei poligoni non è univoca, perché la costruzione del reticolo si può effettuare in diversi modi, ma come regola costante vige che i triangoli debbano avere il minor perimetro possibile. Una volta tracciati i topoieti si attribuisce a ciascuna stazione come area di influenza quella compresa all’interno del poligono in cui la stazione ricade. In ciascuna di queste aree si assume che l’altezza di pioggia sia costante e pari a quella della stazione ricadente all’interno del relativo topoieto. Con una morfologia accidentata si necessita di ulteriori calcoli per via dell’altitudine e dell’esposizione. Esiste una relazione tra Piovosità e Quota, che però varia da bacino a bacino.

Evaporazione

Processo fisico che trasforma l’acqua in vapore. Un indice importante è il Potere evaporante dell’atmosfera, cioè i mm di acqua evaporata in un certo periodo di tempo. Questo parametro è direttamente proporzionale a: umidità dell’aria, temperatura, velocità vento e altitudine; e inversamente proporzionale alla pressione barometrica. Il potere evaporante dell’atmosfera si misura con:

• Metodi diretti – utilizzando degli appositi strumenti:
  • Evaporimetri – recipienti di acqua dentro i quali misuro a intervalli fissi il livello di acqua ricavando così i mm evaporati (evaporazione risulta sempre maggiore di quella reale, usiamo coefficienti di trasformazione)
  • Geovaporimetri e lisimetri – per misurare l’evaporazione dell’acqua contenuta nel suolo
• Metodi indiretti – usando formule di Tornwhite, Meyer, Leather, Visentini

Traspirazione

Processo mediante il quale l’acqua, che passa dal suolo alle radici degli alberi e poi alle foglie, viene liberata dalle foglie sotto forma di vapore. È favorita da: alta temperatura, bassa umidità aria, buona ventilazione e irradiazione solare (di notte è quasi nulla).

Evapotraspirazione

È la somma di evaporazione e traspirazione ed è la quantità totale di acqua che, in una regione, evapora da una superficie evaporante e che viene utilizzata dagli alberi per la loro crescita e la loro traspirazione. Si divide in:

• Ep – evapotraspirazione potenziale, quantità massima di acqua eliminata dal suolo. Formule:
• [ ]^10T ( )Ep=K 1,6 Formula di Thorntwhite
• Et – evapotraspirazione reale, acqua realmente perduta. Valutata tramite lisimetri o usando formule:
• PEt= √ 2P Formula di Turc
• Er=P− λ P Di Coutagne

Infiltrazione

Processo di penetrazione dell’acqua nel sottosuolo. L’acqua infiltrata (F) si ripartisce:

• Una parte evapora
• Una parte è utilizzata dalle piante
• Una parte alimenta le falde idriche sotterranee – Infiltrazione efficace Ie

L’acqua infiltrata nei meati grandi si muove grazie a forza di gravità, nei meati piccoli grazie alla capillarità. Il coefficiente di infiltrazione Cf è la quota % di precipitazioni che si infiltrano nel sottosuolo; e i fattori che regolano l’infiltrazione sono:

• Metereologici – tempi lunghi di precipitazione=tanta infiltrazione; elevata T=bassa infiltrazione
• Geologici – litologia, roccia con grandi meati=tanta infiltrazione; roccia fratturata=tanta infiltrazione
• Morfologici – maggiore pendenza versanti=minore infiltrazione; se non ci sono emissari di fiumi=laghi con alta infiltrazione
• Biologici – vegetazione, rallenta la caduta dell’acqua sul suolo e ne facilita l’assorbimento. Apporto antropico

Deflusso superficiale e ruscellamento

Il ruscellamento è il fenomeno per il quale le acque che non vengono intercettate dalla vegetazione e che non si infiltrano, defluiscono in superficie e giungono in mare. Percorso acqua: all’inizio si raccoglie dietro ad ostacoli naturali (foglie, rami), originando il fenomeno della ritenzione superficiale, se le precipitazioni continuano con sufficiente intensità l’acqua trabocca e comincia a defluire, mano a mano che scorre aumenta la quantità di acqua che scorre. Deflusso superficiale è espresso in cm/h. Possiamo distinguere le acque che scorrono in alvei ben delimitati e acque che scorrono sui versanti (ruscellamento) sotto forma di rivoletti. Il coefficiente di ruscellamento è il rapporto tra ruscellamento e volume d’acqua precipitato.

Bilancio idrologico di un’area continentale = calcolo analitico dei parametri:

• P – acqua di precipitazione (mm/a)
• Er – evapotraspirazione reale (mm/a)
• R – ruscellamento superficiale (mm/a)
• I – infiltrazione efficace (mm/a)

Idrologia fluviale

I fiumi nascono e crescono all’interno di depressioni chiamate Bacini idrografici/imbriferi, che sono le aree preferenziali di raccoglimento delle acque di precipitazione. Un singolo bacino è delimitato da una linea di displuvio o spartiacque, che corre sui rilievi che lo separano dagli altri bacini. Il bacino idrografico principale è l’area che delimita il corso d’acqua principale mentre i bacini secondari delimitano gli affluenti. I bacini possono essere anche alimentati da acque sotterranee, si parla quindi di spartiacque sotterranei e di bacini idrogeologici. Torrenti sono diversi dai fiumi, i primi si trovano in montagna, hanno pendenza naturale e percorso breve; i secondi sono corsi d’acqua perenni di pianura con bassa velocità.

Parti dei torrenti, da monte a valle: bacino di raccolta, canale di scarico, cono di deiezione.

Parti fiume, da monte a valle: tronco superiore, tronco medio, tronco inferiore.

Una sorgente è un’area (più o meno estesa) della superficie terrestre dove viene alla luce, in modo del tutto naturale, una portata apprezzabile di acqua sotterranea. Secondo il modello di funzionamento di un acquifero, la sorgente rappresenterebbe dunque una via attraverso cui avviene la fase di scarico della falda acquifera.

Alimentazione corsi d’acqua – Acque di precipitazione raggiungono e alimentano i corsi d’acqua attraverso vari tipi di deflusso:

• Superficiale – acque scorrono nella parte superficiale del suolo
• Ipodermico – acque di infiltrazione che scorrono a profondità limitate
• Sotterraneo – falde idriche sotterranee
• Diretto – acque cadono direttamente nel corso d’acqua o nel lago

Fiumi di risorgiva – corsi d’acqua alimentati solo da deflusso sotterraneo, privi di bacino di raccolta superficiale

Portata dei corsi d'acqua

La portata di un corso d’acqua è il volume di acqua che passa in una sezione del fiume nell’unità di tempo. La velocità non è costante ma diminuisce andando verso il fondo, è massima al centro. Il solido di portata è il volume tra la sezione e la superficie di portata. Le misure di portata sono effettuate utilizzando i reometri, che forniscono la velocità dell’acqua. Il più utilizzato è il molinetto idrometrico, composto da un’elica verticale messa in moto dalla corrente (la velocità della corrente è dedotta dal numero di giri dell’elica in un certo lasso di tempo). Il molinetto è posto a diverse profondità e non può essere utilizzato se velocità >7 m/s (acqua turbolenta), si usano infatti i galleggianti. Nella sezione posso visualizzare le isotachie, linee con eguale velocità dell’acqua. Altri metodi per misurare portata:

• Molinetto idrometrico – lungo il corso d’acqua stabilisco dei punti dove posiziono le stazioni, faccio 3 letture: sul fondo, a 2/3 di profondità, sotto il pelo dell’acqua. Formato da un tubo con all’estremità un’elica che misura la velocità. Eseguo la somma delle velocità calcolate per trovare la velocità totale. Per ogni idrometro esiste una curva di taratura che ha in ascissa la portata e in ordinata l’altezza d’acqua, tramite la quale ricavo la portata
• Galleggianti
• Tubo di Pitot – tubo a L, con estremità aperte, una posta nell’acqua e l’altra in contatto con atmosfera, quest’ultima ha una scala graduata nella quale è possibile visualizzare l’altezza della colonna di fluido che entra nel tubo, a partire dalla superficie libera dell’acqua
• Stramazzi – usati quando si possono fare sbarramenti ottenendo una canalizzazione del flusso di acqua. Sono opere di diversa forma che convogliano l’acqua e permettono di calcolarne la velocità, a seconda della distanza del deflusso dallo stramazzo
• Idrometro o limnimetro – asta idrometrica graduata, fissata a una struttura fissa e immersa nell’acqua che permette di visualizzare il livello dell’acqua nei fiumi o laghi
• Sensori a ultrasuoni e altri apparecchi tecnologici, es. Aqua profiler – permettono di misurare la distanza da un punto di ancoraggio fino al pelo dell’acqua. Necessitano di acqua tutto l’anno