NOTA! Questo sito utilizza i cookie e tecnologie simili.

Se non si modificano le impostazioni del browser, l'utente accetta. Cookies policy

Accesso Utenti

Top Panel
Mercoledì, 22 Novembre 2017

La straordinaria condizione di siccità di questa estate ha portato con sé diversi aspetti, alcuni dei quali mai osservati in precedenza. E’ il ...
Leggi tutto
Da pochi giorni si è concluso il quinto stage di speleologia e chi meglio dei giovani allievi poteva descrivere meglio l'esperienza? Ecco di seguito ...
Leggi tutto
Il Gruppo Speleologico Lunense organizza sotto l'egida della Scuona Nazionale di Speleologia CAI il quarto stage di avvicinamento alla speleologia, ...
Leggi tutto
...Alessandro Gogna ha vissuto lo spirito e la pratica di entrambi questi momenti: <da che mondo è mondo ci sono stati tempi nuovi e sempre ci ...
Leggi tutto
Ero ancora in mezzo al mare per lavoro quando Gigi mi chiamò per questo nuova avventura. Croazia, la terra dei Balcani dove tra bianche spiagge ...
Leggi tutto
Il Gruppo Speleologico Lunense organizza sotto l'egida della Scuona Nazionale di Speleologia CAI il quarto stage di avvicinamento alla speleologia, ...
Leggi tutto
Cosa fare in caso di incidente in grotta, montagna, o in un semplice sentiero? Come aiutare un amico in difficoltà in attesa dell’arrivo dei ...
Leggi tutto
Lo scorso autunno una nutrita squadra di speleo si recò al Bombassei per il suo disarmo, per portare fuori i chilometri di corde che senza ...
Leggi tutto
Domenica 3 Luglio 2016 - Continuano le risalite al MilazzoRisalita al femminile la scorsa domenica all'abisso Franco Milazzo. Durante una veloce ...
Leggi tutto
Speleo Attitude alla fortezza "Firmafede" di Sarzana   23 – 24 aprile 2016. È il terzo anno che il GSLunense ha partecipato al raduno delle ...
Leggi tutto
Prev Next

Bilancio Idrologico

  • Categoria principale: ROOT
  • Pubblicato: Giovedì, 15 Ottobre 2009 14:40
  • Visite: 26896
  • 15 Ott

Bilancio Idrologico

Lo studio del processo fisico di trasferimento dell'acqua dall'atmosfera al suolo, nel sottosuolo e quindi nei fiumi verso il mare e ancora verso l'atmosfera, si chiama idrologia. L'idrogeologia studia la distribuzione l'immagazzinamento e la circolazione delle acque che filtrano nel sottosuolo in relazione alle formazioni geologiche e le proprietà chimico fisiche delle stesse. L'idrologia carsica è lo studio della circolazione delle acque all'interno di un massiccio carbonatico carsico.
Inizialmente vennero formulate due teorie apparentemente distanti tra loro rispettivamente da  E.A. Martel e da A.Grund.
E.A. Martel nella sua teoria del “fiume sotterraneo”, basata su esperienze  speleologiche, sostenne che all'interno dei massicci carsici le correnti idriche sono ben locate e praticamente indipendenti  anche se ramificate. Secondo A. Grund, invece, nei massicci carsici è presente una massa d'acqua diffusa permanente in costante riciclo in ingresso dalle precipitazioni meteoriche e in uscita dalle sorgenti. Quindi la teoria è che la massa d'acqua  oscilli in base alle precipitazioni più o meno abbondanti. Questa teoria venne  perfezionata come oggi la conosciamo. Se pur valida come teoria risulta poco esaustiva rispetto alla complessità della dinamica della carsogenesi profonda ne risulta che ogni sistema carsico ha una sua caratteristica ben precisa che va studiata singolarmente nel quale si riconoscono un'insieme di vuoti non omogenei in cui possiamo riconoscere zone preferenziali di sviluppo che riflettono l'ambiente di formazione. L'evoluzione di una rete di cavità carsiche sotterranee dipende da numerosi fattori che possono essere riuniti in quattro gruppi principali.

Fattori geologici : caratteri litologici del calcare interessato e quindi la sua porosità, posizione stratigrafica e spessore della formazione in funzione di formazioni non calcaree, condizioni strutturali e movimenti tettonici.

Fattori geomorfologici : riferimento al suolo superficiale in funzione al trasferimento della massa d'acqua nel sottosuolo.

Fattori climatici: rappresenta la disponibilità di H2O in relazione ai suoi stati (liquido – solido – gassoso ) in funzione della temperatura che determina la velocità di reazione.

Fattori biologici  : questo è strettamente legato al fattore climatico in cui  al processo di trasformazione del suolo interagiscono altri composti chimici (es. CO2).

Nel momento in cui l'acqua meteorica precipita al suolo (area di alimentazione), inizia il suo percorso seguendo vie preferenziali dettate dalla morfologia esterna e successivamente dalla litologia – strutturale del sottosuolo dove inizia il sistema di vuoti carsici in cui l'acqua circola soprattutto in senso verticale (zona vadosa), lentamente nei pori o nelle fessure e velocemente nei vuoti maggiori. Ad una profondità maggiore l'acqua si concentra sino a riempire tutti gli spazi della roccia, questa è la zona satura (o freatica ) dove si evolve il carso sommerso. Il volume d'acqua della zona satura è soggetto a variazioni che sono strettamente legate agli apporti idrici che interessano il sistema carsico, in modo diretto, costituito dagli afflussi meteorici, che indiretto dovuto a travasi da domini idrogeologici adiacenti. Infine l'acqua sotterranea raggiungerà la zona in cui sono ubicate le emergenze ovvero le sorgenti carsiche.

 




L'apporto complessivo dell'acqua proveniente dall'atmosfera, che raggiunge la superficie terrestre in una delimitata area si chiama afflusso. L'afflusso nell'interazione con il suolo si ripartisce in diverse componenti definite in base ai differenti percorsi seguiti dall'acqua e dalle differenti reazioni fisico-chimiche subite. Le principali sono: evapotraspitazione, il deflusso superficiale e l''infiltrazione.

 


Viene definita evapotraspirazione il fenomeno che riguarda le terre emerse ricoperte da vegetazione e riunisce sia l'evaporazione dell'acqua meteorica, influenzata dalla temperatura, dall'umidità e dai movimenti dell'aria, che dalla traspirazione ovvero la perdita di acqua da parte della vegetazione attraverso la superficie esposta all'aria.
Il deflusso superficiale non è altro che il processo di trasferimento superficiale lungo il declivio orografico, perdendo nel suo percorso una certa quantità per  evaporazione.
Infine, l'acqua che penetra nel sottosuolo segue un processo di trasferimento definito con il termine di infiltrazione.
L'insieme di questi processi costituisce il bilancio idrologico e rappresenta l'equazione di bilancio di massa dei volumi idrici in ingresso e in uscita dell'area considerata.
In un sistema ideale costituito da una struttura montuosa di roccia porosa omogenea che abbia una permeabilità uguale in tutte le direzioni (isotropa), a contatto con uno strato a permeabilità molto bassa, le acque meteoriche che precipitano sul rilievo, in parte saranno soggette ai fenomeni di evapotraspirazione, una parte defluirà in superficie (ruscellamento superficiale ) dando origine alle risorse idriche superficiali nel momento in cui l'intensità meteorica supera la capacità del terreno di assorbire l'acqua si genera un afflusso superficiale. Quella assorbita dal terreno  si infiltrerà nel sottosuolo ( infiltrazione efficace ) verso la zona d saturazione compresa tra lo strato di roccia impermeabile e la superficie piezometrica, per poi defluire verso le zone di emergenza.

P = prcipitazione, E= evapotraspirazione, R= deflusso superficiale, I= infiltrazione, Q= portata che defluisce nel sottosuolo, D= deflusso idrico globale.

Il bilancio idrologico può essere semplificato nella formula:

P = E + R + I

P = precipitazione
E = evapotraspirazione
R = deflusso superficiale
I = infiltrazione efficace
D = deflusso idrico globale



L'evapotraspirazione (E)

 


intesa come somma della traspirazione (Et) e dell'evaporazione (Ev)

E = Et + Ev

è un parametro di difficile valutazione in quanto dipende da molteplici fattori, in base a prove pratiche sperimentali è stato possibile valutare l'evapotraspirazione con l'uso di relazioni matematiche che fanno uso di parametri da stimare e misurare più attendibili, basati principalmente sull'utilizzo dei dati della temperatura al suolo e della piovosità media annuale;
una di queste è la formula di Turc:



dove :
L = 300 + 25T + 0,05 T3

P = piovosità mm/anno
T = temperatura gradi C° medi

Utilizzando le carte di piovosità e temperatura è possibile ricavare i valori di evapotraspirazione  di una determinata zona o bacino.


Nel caso specifico di una zona in cui la piovosità media annuale e di 1500 mm/a e la temperatura media di 14°C si ottiene una stima dell'avapotraspirazione di 704 mm/a e rappresenta una perdita in termini di disponibilità idriche di una zona molto ampia è ovvio che più limitata sarà la zona di studio e quindi con stazioni di rilevazioni più ravvicinate tanto più sarà attendibile il valore ottenuto.

 



Il deflusso idrico globale (D)

 


inteso come la somma dei deflussi superficiali (R) e quelli sotterranei (I)

D = R + I

Sono due valori che vengono indicati come presunti, in quanto non derivati da misure dirette, e sono strettamente legati alla litologia del dominio idrologico , più precisamente dal coefficiente di infiltrazione potenziale (c.i.p.).

(Civita)

Il valore del c.i.p. Viene espresso in % per diversi tipi litologici, le variazioni sono legate a vari fattori quali la pendenza dei versanti, la copertura vegetale, la porosità e/o la fratturazione della roccia.
La porosità e la permeabilità delle rocce sono due costanti importanti che definiscono il grado d'infiltrazione dell'acqua all'interno del sistema. La porosità è la proprietà di contenere spazi vuoti tra gli elementi solidi che le compongono, esprime l’attitudine che ha la roccia ad immagazzinare ed a liberare acqua sotterranea. La permeabilità è la proprietà che hanno le rocce di lasciarsi attraversare dall’acqua quando questa è sottoposta ad un certo carico idraulico e viene divisa in permeabilità per porosità e permeabilità per fessurazione. La permeabilità per porosità è tipica delle rocce porose le quali contengono numerosi piccoli vuoti intergranulari tra loro comunicanti. La permeabilità per fessurazione è tipica delle rocce fessurate le quali contengono generalmente pochi vuoti costituiti da fessure grandi e piccole, quindi la permeabilità esprime l’attitudine che ha la roccia a far defluire l’acqua sotterranea. Nello studio delle acque sotterranee si fa distinzione fra rocce permeabili e rocce impermeabili, a seconda della facilità con cui le acque penetrano, circolano e si distribuiscono nel sottosuolo. In conclusione la porosità influenza la quantità d'acqua che la roccia può assorbire ma è la permeabilità che regola il movimento del flusso idrico.

Porosità di alcuni elementi valore espresso in % (Feliccia)

 

La porosità efficace è la parte di vuoto utilizzabile da un fluido in movimento, questa è una grandezza inferiore in quanto non tutti gli alveoli sono in comunicazione tra loro e abbiano un'ampiezza superiore a 1 micron tale da innescare un movimento del fluido ( acqua gravifica ). Nei calcari il valore del c.i.p. è elevato anche con un valore di porosità efficace relativamente bassa, questo dovuto essenzialmente alla fratturazione e al fenomeno di dissoluzione, che rappresentano per l'acqua sotterranea dei percorsi privilegiati, e confluiscono alla roccia una permeabilità elevata, l'infiltrazione dell'acqua attraverso un sistema di fessure, fratture e piani di stratificazione determinano  anche l'evoluzione e lo sviluppo del sistema carsico, in queste condizioni il deflusso superficiale è quasi sempre trascurabile.

 


 

Quindi l'infiltrazione efficace può essere definita:

Ie = Ip * c.i.p.

dove Ip rappresenta l'infiltrazione presunta ovvero:

Ie = (P – E ) * c.i.p.
Questa è la quantità d'acqua che entra nell'unità espressa in mm/anno che in alcuni casi può considerarsi anche la quantità di acqua in uscita dalle sorgenti e quindi dal sistema che per assumere un significato dal punto di vista operativo deve essere trasformata in m3/s.

D(m3/s)= Ie(mm/a) * Area di studio (km2) / 31536 (secondi/a)

Questa non tiene conto degli afflussi idrici indiretti (A) provenienti da altre unità, ipotizzabili in base allo studio degli spartiacque superficiali che sotterranei.


(Spartiacque in un massiccio roccioso permeabile per porosità e isotropo in cui il movimento del fluido è uguale in tutte le direzioni)

 


(Il bacino idrografico, ovvero la parte superficiale di un bacino idrologico delimitato dai rilevi che costituiscono gli spartiacque, corrisponde al bacino idrogeologico, ossia la porzione di bacino idrologico di dominio sotterraneo.)

(In un massiccio carsico permeabile per fessurazione e anisotropo il fluido si muove lungo direzioni preferenziali seguendo le leggi dell'idrodinamica) 


(Il complesso reticolo di drenaggio sotterraneo portano le acque dalle zone di percolazione e di ruscellamento in regime vadoso fino alla zona satura ed infine alle emergenze.)

Importanti informazioni sulle caratteristiche della rete di drenaggio in zona satura, i rapporti di scambio tra domini idrologici, l'acqua immagazzinata nelle fratture della roccia infine l'individuazione di sorgenti emissarie, vengono dalle prove di tracciamento.

In questo caso il deflusso presunto in uscita dal sistema diventerà:

D = Ie + A

D = [(P – E) * c.i.p. ]  + A




In conclusione i calcoli relativi ai bilanci idrologici, sia che si riferiscono ad interi domini idrogeologici, o parte di essi, possono essere sviluppati in modi diversi a seconda delle caratteristiche del territorio sia superficiale e in particolare quello sotterraneo.

 

P:precipitazione, E:evapotraspirazione, Ie:infiltrazione efficace, A:afflussi da altre unità, T:trasferimenti ad altre unità, D:deflusso idrico globale, Q:prelievi da attività antropiche

 

In sintesi un bilancio può essere sviluppato come segue:



viene calcolata la precipitazione media annuale “P” espressa in mm, a questa vengono sottratte le perdite per evapotraspirazione “E” calcolate in modo empirico per ottenere il deflusso globale presunto che nel caso di un massiccio carsico possiamo definirlo come infiltrazione ”Ip” presunta in quanto riteniamo trascurabili i ruscellamenti superficiali “R” , con il coefficiente di infiltrazione otteniamo l'infiltrazione efficace “Ie” che può essere trasformata in m3/sec (moltiplicando per 103 si attiene L/sec) semplicemente moltiplicando l'altezza  dell'acqua (espressa in mm/anno) per l'area del dominio idrogeologico (espressa in Km2) e infine diviso per i secondi in un anno (31536 * 103) al dato cosi ottenuto vanno sommati le eventuali stime degli apporti idrici “A”, ottenendo un ipotetico risultato di deflusso che sarà verificato con la misura diretta dei volumi in uscita dalle emergenze se la relazione ha uno scarto medio del 10% possiamo affermare che il bacino idrogeologico é stato ben delimitato.
Questo metodo non è completamente esaustivo, ma ci permette di comprendere meglio il territorio e ci fornisce un'eventuale base da cui partire come studio del bilancio idrologico in quanto altre variabili possono influenzare  l'equazione di equilibrio tra l'acqua in entrata e quella in uscita da un sistema carsico ovvero:

{ P + Ae + C }  =  { Ie + A }  +  { E + T + Q }
Entrate                Uscite              Perdite

Dove :

“Ae” sono le alimentazioni per infiltrazione da alveo fluviale, “C” rappresenta la condensazione, l'aria contiene vapore acqueo l'umidità esprime questa quantità in grammi contenuta in un m³ d'aria essa varia tra lo zero ed il valore massimo, detto limite di saturazione, oltre il quale l'acqua non può più restare dispersa nell'aria allo stato di vapore ma comincia a condensarsi. Il limite di saturazione non è fisso ma cresce con la temperatura dell'aria, in altri termini l'aria più calda può contenere più acqua allo stato di vapore che non l'aria fredda. Per esempio a 10° C 1 m³ d'aria è satura con 9g di vapore, mentre a 25° C ne può contenere fino a 23g. Nel caso in cui la temperatura  da  25° C passa a 10° C vengono rilasciati 14g di acqua per m³.
“T” sono le perdite verso altre unità idrologiche, “Q” prelievi da attività antropiche.

Considerazioni: ai fini speleologici conoscere e calcolare il bilancio idrologico, la quantità d'acqua in entrata ed in uscita di una determinata area, può non avere molto senso, se non siamo interessati alle  riserve idriche, al suo utilizzo ed eventuali contaminazioni delle stesse, ma la conoscenza e lo studio del territorio analizzato a livello idrogeologico, rappresenta uno strumento in più nell'individuazione di eventuali cavità ipogee, in cui l'esplorazione è il fine della speleologia.  



Bibliografia:

P.Celico – Prospezioni Idrogeologiche 1986
M.Greppi – Idrologia 2005
A.Feliccia – Corso di Idrogeologia
E. Preziosi, L. Piccini – Idrogeologia carsica : le indagini speleologiche come strumento di prospezione e ricerca.
M.Mecchia – Ricerche idrogeologiche di spedizione – La Venta.1995
F.Cossutta – Idrogeologia dei sistemi carsici.  

Paolo Brunettin