Idrogeologia

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L'Idrogeologia (dal greco idro- "acqua", e geo-logia "studio della Terra") è una parte della [[idrologia] che si occupa della distribuzione e dei movimenti delle acque di superficie all'interno dei suoli e delle rocce della crosta terrestre (generalmente nelle falde acquifere). Il termine geoidrologia è spesso usato come sinonimo. L'idrogeologo è un geologo che si occupa di idrogeologia.

Indice

[modifica] Introduzione

L'idrogeologia (come gran parte delle scienze della Terra) è una materia interdisciplinare; può essere difficile render conto in maniera completa delle interazioni chimiche, fisiche, biologiche e perfino legali, che si hanno tra terreno, acqua, natura e uomo. Anche se i concetti base dell'idrogeologia sono molto intuitivi (ad esempio, "l'acqua scorre verso il basso"), lo studio delle interazioni può essere abbastanza complesso. Prendere in considerazione le reciproche azioni e reazioni tra aspetti differenti di un sistema a più componenti, spesso richiede conoscenze in diversi campi di studio, sia a livello teorico che sperimentale. Questo è quello detto, quello che segue è un'introduzione ai metodi e alla nomenclatura dell'idrologia sotto le superfici sature o più semplicemente idrogeologia.

[modifica] L'idrogeologia in relazione con gli altri campi

L'idrogeologia, come scritto qui sopra, è una branca delle scienze della terra che si occupa dello studio dello scorrere delle acque attraverso gli acquiferi e attraverso rocce porose (tipicamente fino a 450 m o 1,500 piedi sotto la superficie).

Lo scorrere delle acque nei terreni poco profondi (fino a 3 m o 10 piedi) è pertinente al campo della pedologia, dell'agricoltura e dell'ingegneria civile, oltre all'idrogeologia in senso stretto. Lo scorrere dei fluidi in generale (acqua, idrocarburi, fluidi geotermici, ecc.) nelle formazioni più profonde è studiato anche da geologi, geofisici e geologi petroliferi. L'acqua sotterranea è un fluido viscoso, (con un numero di Reynolds inferiore all'unità) e molte delle leggi empiriche per le acque sotterranee sono derivate dalla meccanica dei fluidi.

Le relazioni matematiche usate per descrivere il movimento delle acque attraverso mezzi porosi sono la diffusione e l'equazione di Laplace, che hanno applicazioni in vari campi. Flussi di acque sotterranee costanti (Equazione di Laplace) sono stati simulati usando analogie elettriche, elastiche e di conduzione di calore. Flussi transitori di acque sotterranee sono analoghi alla diffusione di calore in un solido, quindi alcune soluzioni a problemi di idorgeologia sono state adattate dalle teoria di termodinamica.

Tradizionalmente, lo studio delle acque sotterranee è stato effettuato separatamente rispetto alle acque superficiali, alla climatologia, e persino dagli aspetti chimici e microbiologici dell'idrogeologia (i processi erano separati). Con lo svilupparsi del campo dell'idrogeologia, le forti interazioni tra acque sotterranee, acque superficiali, chimica delle acque,umidità dei suoli e persino con il clima stanno diventando più chiare.

[modifica] Definizioni e proprietà dei materiali

Voce principale: Acquifero

Allo scopo di spiegare i termini di acquiferi e di acquitardi, qui di seguito vengono introdotti alcuni concetti di base. Gli acquiferi sono generalmente classificati come confinati o liberi (falda acquifera), e come saturi o insaturi; la tipologia di acquifero influenza le proprietà e le modalità del flusso di acqua nel mezzo (e.g., il rilascio di acqua da un acquifero confinato dipende dal coefficiente di immagazzinamento, collegato a sua volta alla porosità utile (o rendimento specifico) in acquiferi liberi).


[modifica] Carico idraulico

Voce principale: Carico idraulico (Idrogeologia)

Il gradiente di carico idraulico (h) è la forza motrice che spinge l'acqua a muoversi da un punto all'altro dello spazio. L'equazione di Bernoulli dimostra che sotto determinate ipotesi (flusso incomprimibile, non viscoso in stato stazionario), lungo una linea di flusso la sommatoria dei termini di pressione, velocità ed altezza geodetica si mantiene costante. Questa sommatoria è identificabile con il carico idraulico. Normalmente, nel moto di filtrazione, l'energia cinetica del fluido è di qualche ordine di grandezza inferiore ai termini di pressione ed altezza geodetica e pertanto può essere trascurata. Il carico idraulico risulta così normalmente composto dai termini di pressione (psi) ed altezza geodetica (z). Il gradiente del carico idraulico è definito come la variazione di carico idraulico per unità di lunghezza e, secondo la Legge di Darcy, è proporzionale al deflusso idrico.

Il carico idraulico è una proprietà del fluido direttamente misurabile che può assumere un qualunque valore (a causa del valore arbitrario del termine geodetico z); psi può essere misurata attraverso un trasduttore di pressione (questo valore può essere negativo, come nel caso della suzione, ma è solitamente positivo per mezzi porosi saturi), mentre z può essere misurata relativamente ad un origine nota (solitamente la cima del foro del pozzo). Solitamente, in pozzi che captano acquiferi liberi, il livello di acqua nel pozzo è utilizzato come una misura del carico idraulico, assumendo la pressione uguale a quella atmosferica. Le misure della variazione del carico idraulico nel tempo in un pozzo possono essere eseguite attraverso un idrografo, ad esempio nel caso di una prova di pompaggio dove interessano le modalità di abbassamento della superficie piezometrica.


[modifica] Porosità

Voce principale: Porosità.

La porosità (n) è una proprietà direttamente misurabile dell'acquifero; si tratta di una frazione tra 0 e 1 che indica la quantità di pori tra le particelle di suolo incoerente o entro una roccia fratturata. Solitamente, la maggior parte dell'acqua presente nel terreno (e qualsiasi cosa sia dissolto in essa) si muove attraverso la porosità disponibile per scorrere (a volte detta porosità effettiva).

La porosità non influenza direttamente la distribuzione del carico idraulico in un acquifero, bensì agisce sulla velocità dei fluidi nel sottosuolo con una relazione di proporzionalità inversa; assume pertanto un significato molto importante nello studio della migrazione di inquinanti in falda.

[modifica] Contenuto d'acqua

Voce principale: Contenuto d'acqua

Il contenuto in acqua (θ) è un'altra proprietà direttamente misurabile; è la percentuale di roccia sul totale che è riempita con acqua liquida. Anche questa è una frazione tra 0 e 1, ma deve anche essere minore o uguale alla porosità totale.

Il contenuto d'acqua è particolarmente importante nell'zona insaturaidrologia, laddove la conducibilità idraulica è una funzione nonlineare del contenuto d'acqua; questo rende notevolemente più complicata la ricerca di soluzioni analitiche all'equazione di flusso.

[modifica] Conducibilità idraulica

Voce principale: Conducibilità idraulica.

La conducibilità idraulica (K) e la trasmissività (T) sono caratteristiche proprie dei sistemi acquiferi non misurabili direttamente. T rappresenta l'integrale di K sullo spessore saturo (b) dell'acquifero (T=Kb dove K è costante sullo spessore). Questi parametri sono fondamentali per analizzare la capacità dell'acquifero di lasciarsi attraversare dall'acqua. La Conducibilità idraulica K ha le dimensioni di una velocità (m/s) e spesso viene indicata con il termine di permeabilità, sebbene non vada confusa con la permeabilità intrinseca, dipendente unicamente dalla dimensione e dalla disposizione dei pori del terreno. La conducibilità idraulica dipende infatti anche dalla viscosità e dalla densità del fluido nel sottosuolo; nella maggior parte dei casi dell'idrogeologia classica, i valori di K riportati sono riferiti all'acqua. La permeabilità intrinseca assume invece importanza nello studio di fluidi particolarmente densi ed è pertanto molto utilizzata nel settore petrolifero.

[modifica] Bibliografia

[modifica] Idrogeologia generale

  • Castany, G., 1982. Idrogeologia. Principi e metodi Ed. 2003 Dario Flaccovio Editore.
  • Domenico, P.A. & Schwartz, W., 1998. Physical and Chemical Hydrogeology Second Edition, Wiley. — Good book for consultants, it has many real-world examples and covers additional topics (e.g. heat flow, multi-phase and unsaturated flow). ISBN 0471597627
  • Driscoll, Fletcher, 1986. Groundwater and Wells, US Filter / Johnson Screens. — Practical book illustrating the actual process of drilling, developing and utilizing water wells, but it is a trade book, so some of the material is slanted towards the products made by Johnson Well Screen. ISBN 0961645601
  • Freeze, R.A. & Cherry, J.A., 1979. Groundwater, Prentice-Hall. — A classic text; like an older version of Domenico and Schwartz. ISBN 0133653129
  • Porges, Robert E. & Hammer, Matthew J., 2001. The Compendium of Hydrogeology, National Ground Water Association, ISBN 1-56034-100-9. Written by practicing hydrogeologists, this inclusive handbook provides a concise, easy-to-use reference for hydrologic terms, equations, pertinent physical parameters, and acronyms
  • Todd, David Kieth, 1980. Groundwater Hydrology Second Edition, John Wiley & Sons. — Case studies and real-world problems with examples. ISBN 047187616X

[modifica] Modellazione numerica delle acque sotterranee

  • Anderson, Mary P. & Woessner, William W., 1992 Applied Groundwater Modeling, Academic Press. — An introduction to groundwater modeling, a little bit old, but the methods are still very applicable. ISBN 0120594854
  • Zheng, C., and Bennett, G.D., 2002, Applied Contaminant Transport Modeling Second Edition, John Wiley & Sons — A very good, modern treatment of groundwater flow and transport modeling, by the author of MT3D. ISBN 0471384771
  • Anderson, Woessner, 2002. Applied groundwater modelling, Academic Press Inc.
  • Bear J., 1979. Hydraulics of Groundwater McGraw-Hill Series in water resources and environmental engineering, McGraw Hill, 569 pp
  • Bear J., Verruijt A., 1987. Modelling Groundwater flow and Pollution, D.Reidel Publishing Company, 414 pp.
  • Pinder G., 2002, Groundwater modelling using GIS, John Wiley & Sons Inc
  • Wang H., Anderson M., 1982.Introduction to groundwater modelling: Finite Differences and Finite Elements methods, Academic Press Inc.


[modifica] Modellazione analitica delle acque sotterranee

  • Haitjema, Henk M., 1995. Analytic Element Modeling of Groundwater Flow, Academic Press. — An introduction to analytic solution methods, especially the Analytic element method (AEM). ISBN 0123165504
  • Harr, Milton E., 1962. Groundwater and seepage, Dover. — a more civil engineering view on groundwater; includes a great deal on flownets. ISBN 0486668819
  • Lee, Tien-Chang, 1999. Applied Mathematics in Hydrogeology, CRC Press. — Great explanation of mathematical methods used in deriving solutions to hydrogeology problems (solute transport, finite element and inverse problems too). ISBN 1566703751
  • Liggett, James A. & Liu, Phillip .L-F., 1983. The Boundary Integral Equation Method for Porous Media Flow, George Allen and Unwin, London. — Book on BIEM (sometimes called BEM) with examples, it makes a good introduction to the method. ISBN 0046200118


[modifica] Voci correlate

[modifica] Collegamenti esterni


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