Ingegneria degli acquiferi - Appunti

Indice

1 Elementi di Idrogeologia 15

1.1 tipi di falde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 tipi di suolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3 proprieta fisiche del suolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.4 granulometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5 superficie specifica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.6 porosità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.7 acqua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.8 bagnabilità e pressione capillare . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.9 parametri del suolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2 Leggi del moto dei fluidi nei mezzi porosi 33

2.1 teorema di conservazione della massa . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2 legge di Darcy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.3 modello 2D di acquifero confinato . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4 modello 2D di acquifero freatico . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.5 modello di pozzo in acquifero confinato . . . . . . . . . . . . 39

2.6 modello di pozzo in acquifero freatico . . . . . . . . . . . . . 40

2.7 soluzione di Theis dell’ equazione della diffusività . . . . . . 41

2.8 soluzione di Cooper Jacob dell’ equazione della diffusività . . 43

2.9 soluzione dell’ equazione della diffusività per pozzi in acquiferi

freatici per pozzo in falda freatica . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.10 soluzione dell’equazione della diffusività per pozzo in acquif-

ero parzialmente confinato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.11 principio di sovrapposizione degli effetti . . . . . . . . . . . . 47

2.12 soluzione equazione diffusività ad abbassamento costante . . . 49

2.13 portata in condizioni stazionarie per pozzo in falda confinata 51

2.14 portata in condizioni stazionarie per pozzo in falda freatica . 52

3 Flusso parallelo 55

3.1 falda confinata a spessore costante in regime stazionario . . . 55

3.2 falda semiartesiana a spessore costante con ricarica in regime

stazionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2 INDICE

3.3 falda confinata a spessore variabile linearmente ed in regime

stazionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.4 falda semiartesiana in regime stazionario . . . . . . . . . . . . 60

3.5 falda freatica in regime transitorio . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.6 falda freatica in regime stazionario . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.7 falda freatica in due strati sovrapposti con diversa conducibilità

idraulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.8 falda freatica con variazione orizzontale della conducibilità

idraulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.9 falda freatica in regime transitorio . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.10 falda freatica in regime stazionario e con alimentazione verticale 71

3.11 falda freatica con alimentazione verticale delimitata da una

canale e da un setto impermeabile . . . . . . . . . . . . . . . 73

4 Identificazione dei parametri degli acquiferi 75

4.1 Identificazione dei parametri degli acquiferi . . . . . . . . . . 75

4.2 metodo di Thiem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.3 metodo di Theis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.4 metodo di Chow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.5 metodo di Jacob . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.6 metodo di Jacob-Lohman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.7 prova in regime stazionario in acquifero semiconfinato . . . . 82

4.8 metodo Hantus-Jacob per pozzo in acquifero semiconfinato . 85

4.9 acquifero freatico in condizioni stazionarie . . . . . . . . . . . 86

4.10 metodo Stalman-Bower per pozzo in acquifero freatico . . . . 87

4.11 drenaggio gravitazionale ritardato . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.12 metodo di Boulton acquifero freatico . . . . . . . . . . . . . 89

4.13 slug test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.14 Il metodo di Bower e Rice in acquifero freatico . . . . . . . . 91

4.15 metodo di Cooper, Bredehoeft e Papadopulos in acquifero

confinato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.16 Capacità produttiva ed efficienza idraulica di un pozzo . . . . 96

4.17 Correlazioni tra portata specifica e trasmissività . . . . . . . 99

5 Il metodo delle differenze finite 103

5.1 schemi DF per derivate prime e seconde . . . . . . . . . . . . 104

5.2 discretizzazione del tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.3 discretizzazione dell’ equazione del trasporto . . . . . . . . . . 111

6 Zona parzialmente satura 113

6.1 modello di flusso in zone parzialmente sature . . . . . . . . . 113

6.2 modello semplificato di flusso nell’ insaturo . . . . . . . . . . 115

6.3 modello di flusso 1D nell’ insaturo . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.4 discretizzazione alle DF della forma h della equazione di Richards118

INDICE 3

6.5 discretizzazione alle DF della forma θ della equazione di Richards120

6.6 discretizzazione alle DF della forma mista della equazione di

Richards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.7 modelli per lo studio dell’ infiltrazione . . . . . . . . . . . . . 122

6.8 modello di Green-Ampt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

7 I contaminanti presenti nelle acque sotterranee 129

7.1 classificazione chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

7.2 contaminanti inorganici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.3 contaminanti organici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

7.4 gli idrocarburi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

7.5 Idrocarburi alifatici alogenati . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

7.5.1 fenoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

7.5.2 clorobenzeni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

7.6 altri composti organici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7.7 Classificazione fisica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

7.8 miscibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

7.9 densità di massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

7.10 solubilità in acqua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.11 Coefficiente di partizione ottanolo-acqua . . . . . . . . . . . . 139

7.12 tensione di vapore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

7.13 Costante di Henry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

8 Trasporto di inquinanti solubili in acqua 143

8.1 l’ equazione del trasporto di inquinanti . . . . . . . . . . . . . 143

8.2 colonna con concentrazione di inquinante imposta all’ ingresso 149

8.3 colonna con iniezione istantanea di inquinante . . . . . . . . . 151

8.4 colonna con portata di inquinante imposta . . . . . . . . . . . 152

8.5 iniezione istantanea di inquinante in dominio bidimensionale 153

8.6 iniezione a portata imposta di inquinante in dominio bidi-

mensionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

9 L’inquinamento dei suoli e delle acque 157

9.1 L’inquinamento delle acque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

9.2 Origine dell’ inquinamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

9.3 Sorgenti di inquinamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

9.4 Potere autodepurante del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . 161

9.5 Misure di controllo e prevenzione . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9.6 Misure preventive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9.7 Misure di emergenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

9.8 Modalità di indagine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

4 INDICE

10 Le tecnologie di bonifica non biologiche 167

10.1 Generalità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

10.2 Soil washing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

10.3 Estrazione con solventi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

10.4 Soil vapor extraction (SVE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

10.5 Air sparging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

10.6 Dual phase extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

10.7 Solidificazione/stabilizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

10.8 Desorbimento termico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

10.9 Incenerimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

11 bonifica biologica o bioremediation 181

11.1 Generalità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

11.2 La microbiologia del suolo e delle acque sotterranee . . . . . . 182

11.3 Bioventing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

11.4 Biosparging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

11.5 Natural attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

11.6 Landfarming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

11.7 Biopile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

11.8 Bioslurry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

11.9 Barriere microbiologiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

11.10Qualità dei suoli da raggiungere mediante gli interventi di

risanamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

11.11La normativa italiana in materia di difesa di messa in sicurez-

za e ripristino ambientale dei siti inquinati (da Di Molfetta,

2002) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

12 Metodi di interpolazione 205

12.1 definizioni di base su insiemi di funzioni . . . . . . . . . . . . 205

12.2 prodotto scalare di due funzioni . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

12.3 norma di una funzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

12.4 proprietà del prodotto scalare . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

12.5 insieme completo di funzioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

12.6 funzioni normalizzate ed ortogonali . . . . . . . . . . . . . . . 206

12.7 norma di una combinazione lineare . . . . . . . . . . . . . . . 207

12.8 operatori funzionali lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

12.9 metodo dei residui pesati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

12.10metodo di collocazione per punti . . . . . . . . . . . . . . . . 209

12.11metodo dei minimi qudrati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

12.12metodo di Galerkin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

12.13metodo di Galerkin con formulazione debole . . . . . . . . . . 215

INDICE 5

13 il metodo degli elementi finiti 217

13.1 il metodo degli elementi finiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

13.2 modello di flusso 1D con EF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

13.3 modello di flusso 2D con EF Galerkin . . . . . . . . . . . . . 225

13.4 integrazione nel tempo di sistemi di equazioni differenziali

ordinarie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

14 Risoluzione di sistemi di equazioni algebriche lineari 237

14.1 Cenni sui metodi di risoluzione di sistemi di equazioni alge-

briche lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

14.2 metodo diretto di Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

14.3 metodo di fattorizzazione della matrice dei coefficienti . . . . 239

14.4 Algoritmo di Thomas per sistemi tridiagonali a banda stretta 240

14.5 Algoritmo di Thomas per sistemi tridiagonali a banda larga . 241

14.6 Metodi iterativi per la risoluzione di sistemi di equazioni lineari242

15 Tecniche per la costruzione di pozzi per acqua 245

15.1 Generalità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

15.2 caratteristiche meccaniche dei terreni . . . . . . . . . . . . . . 245

15.3 Metodi di perforazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

15.4 I fluidi di perforazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

15.5 scalpelli per la perforazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

15.6 Perforazione a rotazione con fango . . . . . . . . . . . . . . . 250

15.7 Perforazione a rotazione con aria . . . . . . . . . . . . . . . . 252

15.8 Perforazione ad aria con rivestimento provvisorio . . . . . . . 253

15.9 Perforazione a percussione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

15.10Perforazione a circolazione inversa . . . . . . . . . . . . . . . 255

15.11Perforazione con vitone continuo ed asta piena . . . . . . . . 256

15.12Perforazione con vitone continuo ed aste cave . . . . . . . . . 257

15.13Perforazione con vitone continuo ed asta cava filtrante . . . . 258

15.14Perforazione con secchione e bucket . . . . . . . . . . . . . . . 258

15.15Perforazione ad iniezione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

15.16Pozzi battuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

15.17Pozzi di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

15.18Il Completamento dei pozzi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

15.18.1 La colonna di rivestimento . . . . . . . . . . . . . . . 263

15.19Filtri e dreni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

15.19.1 Filtri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

15.19.2 Dreni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

15.19.3 Chiusura intercapedine foro/colonna . . . . . . . . . . 267

15.20Messa in produzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

15.20.1 Lo spurgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

15.20.2 Metodi di spurgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

15.21invecchiamento, ripristino e chiusura mineraria . . . . . . . . 270

6 INDICE

15.21.1 Invecchiamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

15.22Intasamento dei filtri e possibili interventi . . . . . . . . . . . 270

15.22.1 Corrosione dei tubi e dei filtri . . . . . . . . . . . . . . 271

15.22.2 La chiusura mineraria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

Elenco delle figure

1.1 Zona satura e aerata del sottosuolo. . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2 Schema di tipi di falde acquifere. . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3 Ripartizione in un terreno nei sui contenuti di solidi e di vuoti. 18

1.4 Tipico andamento di curva granulometrica. . . . . . . . . . . 21

1.5 Esperienza elementare sulla bagnabilità . . . . . . . . . . . . . 25

1.6 Pressione capillare in capillare di sezione cilindrica. . . . . . . 25

1.7 Curva di pressione capillare (curva di ritenzione dell’acqua)

in funzione della saturazione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.8 Schemi di tensiometri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.9 Valori della porosità , ritenzione specifica e porosità effettiva

per diversi tipi di suolo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.10 Valori tipici di conducibilità idraulica e permeabilità . . . . . 31

1.11 Valore di S in funzione della pofondità e spessore della falda. 32

1.12 Valore di S in funzione della porosità e del diametro medio. 32

y

2.1 Apparecchiatura per la verifica della legge di Darcy. . . . . . 35

2.2 Schema di pozzo in coordinate cilindriche. . . . . . . . . . . . 40

2.3 Funzione integrale exponenziale W in funzione di u e di 1/u. 42

2.4 Funzione integrale exponenziale W approssimata. . . . . . . . 44

2.5 Schema di pozzo in acquifero semiconfinato. . . . . . . . . . 46

2.6 Funzione di Bessel I (x), K (x), I (x) e K (x). . . . . . . . 47

o o 1 2

2.7 Schema di produzione a portata variabile. . . . . . . . . . . . 48

2.8 schema di produzione con interruzione. . . . . . . . . . . . . . 49

2.9 Funzioni errore erf(x) ed errore complementare erfc(x). . . . . 50

3.1 Schema di falda confinata di spessore costante . . . . . . . . . 55

3.2 Schema di falda semiconfinata a spessore costante . . . . . . . 57

3.3 Schema di falda confinata a spessore variabile. . . . . . . . . . 58

3.4 Schema di falda semiartesiana. . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.5 Funzioni senh(x) e cosh(x). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.6 Schema di falda semiconfinata con trincea. . . . . . . . . . . . 62

3.7 Schema di falda freatica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.8 Schema di falda freatica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

8 ELENCO DELLE FIGURE

3.9 Schema di falda freatica con trincea. . . . . . . . . . . . . . 65

3.10 Schema di falda freatica in strati sovrapposti a diversa con-

ducibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.11 Schema falda freatica in strati a diversa conducibilità . . . . 68

3.12 Schema di falda nel caso di variazione orizzontale della con-

ducibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.13 Schema di falda freatica in regime transitorio. . . . . . . . . 70

3.14 Schema di falda freatica con alimentazione verticale. . . . . . 71

3.15 Schema di falda freatica con trincea ed alimentata dall’ alto. 73

4.1 Schema per il calcolo di K e S con metodo di Theis noto s(t)

ad r prefissato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.2 Schema per misura di k con metodo di Jacob noto s(t) ad r

prefissato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.3 Schema per metodo di Jacob dato s(r) ad un tempo noto. . . 80

4.4 Metodo di Jacob-Lohman. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.5 Schema di pozzo in acquifero semiconfinato. . . . . . . . . . 83

4.6 Schema per acquifero semiconfinato. . . . . . . . . . . . . . . 84

4.7 Schema per prova in acquifero semiconfinato. . . . . . . . . . 86

4.8 Curve tipo di Stalman-Bower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.9 Comportamento idrodinamico di acquifero non confinato (da

Batu, 1998). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.10 Configurazione della curva di abbassamento rilevata da un

piezometro a distanza r dal pozzo attivo: a) acquifero confi-

nato, b) acquifero semiconfinato, c) acquifero non confinato. . 89

4.11 Curve per prove di pozzo in acquifero freatico. . . . . . . . . 90

4.12 Definizione dei parametri geometrici di un pozzo completato

in acquifero freatico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.13 Determinazione dei parametri adimensionali A, B, e C per

calcolo del raggio effettivo R , da Bouwer e Rice (1976). . . . 93

e

4.14 Definizione dei parametri geometrici di un pozzo completato

in acquifero confinato. . . .