Il modello idrogeologico: monitoraggio e parametri caratteristici

E’ nota l’importanza di definire il modello idrogeologico, oltre all’importanza di programmare un corretto piano di monitoraggio che in funzione dell’obiettivo stabilisca:

  • cosa monitorare, in funzione dell’obiettivo dell’indagine ossia considerare i principali parametri idrochimici come Temperatura, conducibilità, durezza, bicarbonati… etc, oppure se lo scopo è specifico come accertare l’ingressione marina allora lo studio si baserà sui cloruri;
  • dove monitorare, ossia si stabilisce una maglia di punti, dove con una certa sistematicità, regolare nel tempo, si prelevano campioni da analizzare da pozzi o sorgenti o superfici di acqua libera che interagiscono con l’acquifero oggetto di studio. Sulla base del modello idrogeologico, per conoscere il chimismo della falda si stabiliscono le procedure da seguire per il monitoraggio. Tra le procedure da stabilire, il geologo decide anche a che profondità effettuare il prelievo. Per esempio, se si monitora un pozzo, si evita di prelevare in corrispondenza del livello piezometrico perché lì si possono accumulare sostanze, lo stesso in profondità della perforazione. Si può anche stabilire di prelevare a più profondità nell’ambito della stessa perforazione al fine di capire come variano certi parametri lungo la verticale;
  • come monitorare, cioè a pozzo spento o attivo? Quindi se si stabilisce di verificare il chimismo delle acque in condizioni non disturbate e quindi di regime naturale di flusso, allora i campioni saranno prelevati tutti a pozzi spenti; se invece si decide di prelevare in condizioni dinamiche di flusso tutti i campioni saranno prelevati dopo una tempo t dall’inizio del pompaggio;

Si deduce che il geologo deve conoscere le caratteristiche tecnico costruttive delle opere che si campionano come: la profondità, l’idro-stratigrafia (cioè se il pozzo è ubicato in un acquifero monofalda o multifalda?), il posizionamento delle zone filtranti lungo la colonna del pozzo stesso (potrebbe esserci una sola zona filtro che interessa la zona satura, o più zone filtro).

Stabilito il piano di campionamento, si va in campo, si misurano parametri come T e ph(con apparecchiature portatili) e infine si raccolgono i campioni, ponendo attenzione al contenitore e alle modalità di trasporto in laboratorio.

È bene che il tecnico che preleva i campioni, contestualmente a queste operazioni, faccia anche misurazioni quantitative come misure sul livello piezometrico e misure di portata, perché il chimismo è la risposta di una dinamica quantitativa.

I parametri che poi vengono determinati in laboratorio sono vari in base all’obiettivo dello studio possono essere: cationi (Na, NH, K,Mg, Ca), anioni (solfati, nitrati, nitriti, cloruri), oppure verificare la presenza di contaminanti attraverso analisi specifiche.

Se l’obiettivo è accertare la potabilità delle acque bisogna attenersi a quanto dice la normativa in merito. Il decreto legislativo 31/2001 stabilisce quali sono i parametri da controllare, da parte dell’ente gestore, e con che frequenza monitorare la risorsa nel tempo, decretando i valore soglia per i vari elementi (28 parametri). Anche un solo superamento rende le acque non potabili.

Per le acque destinate alla vendita imbottigliate la normativa di riferimento è la 105 del 25/01/1992(56 parametri). Ci sono le cosiddette acque “da fonte” che sono quelle commercializzate solo nei boccioni da 5 litri, che si trovano negli enti pubblici, che sottostanno ad una normativa particolare, simile a quella delle acque minerali imbottigliate, ma diversa per taluni parametri. Per il settore termo-minerali (acque per cure termali) la normativa di riferimento è  il Decreto Ministeriale n° 542 del 29/12/2003. Studiando bene la normativa, ci si rende conto che ci sono delle stranezze come l’innalzamento di certi parametri per regioni che hanno valori background naturali più elevati. Un esempio è l’arsenico in Campania: questo elemento si trova abbondante nelle vulcaniti per risalta di fluidi idrotermali, per cui le acque risultano più ricche in Arsenico che è un metallo altamente nocivo. Di conseguenza le acque potabili andrebbero depurate da questo elemento. La normativa invece suggerisce una deroga per la Campania che innalza il limite soglia solo per questa regione. Questa deroga che non trova giustificazioni, perché i limiti sono stati assegnati in base a studi sulla tutela della salute umana, per cui concentrazioni anche se di origine naturale elevate danneggiano la salute. Addirittura la normativa italiana non prende in considerazione alcuni elementi come l’uranio, che potrebbero essere massimi nelle acque potabili. Per quanto riguarda acque non potabili, ma che possono essere utilizzate per l’agricoltura o per l’industria, non esistono valori limite per cui in teoria si potrebbe usare qualsiasi acqua per irrigare i campi. Dal punto di vista scientifico, sono stati sviluppati dei criteri per valutare la qualità delle acque per scopo irriguo, uno di questi criteri è l’indice SAR :

Stabilito l’indice SAR, con l’utilizzo della conducibilità elettrica si genera un diagramma “a barre” che stabilisce un grado di pericolosità; infatti bassi valori dell’indice SAR e bassi valori di k costituiscono la fascia di basso pericolo.

SAR=  in meq/l

Per quanto riguarda la rete di monitoraggio, esistono diversi criteri per stabilire una maglia. All’interno di ogni maglia regolare deve ricadere un punto d’acqua da monitorare. Oppure il campionamento può essere random, cioè secondo una distribuzione irregolare. Il num. di campioni è funzione anche della scala di lavoro (maglia larga a scala del bacino, maglia più stretta a scala settoriale). In merito alla norma, questa stabilisce che la frequenza del monitoraggio dipende dai volumi d’acqua distribuiti al giorno.

In situazioni idro- geologicamente complesse, come ad es per acquiferi multistrato, per conoscere il chimismo di ogni orizzonte saturo, si utilizzano dei piezometri particolari “piezometri Cluster”. Ogni livello saturo è isolato con i paker (argilla espansa) dagli altri, per evitare contaminazioni del chimismo.

Esempio di piezometro cluster che passa per livelli differenti, alcuni interessati dal fenomeno di ingressione marina, altri da acque dolce.

 Lo studio del log del piezometro cluster ha consentito di ricostruire l’andamento dell’interfaccia e di trovare sotto un acquifero carbonatico che non ci aspettavamo fosse li.

Ricordiamo che le modalità di monitoraggio dipendono dall’obiettivo e dalla normativa vigente. Effettuate le azioni di campo, vengono effettuate le determinazioni di laboratorio, per cui si ottengono dei parametri chimico-fisici delle acque. Le unità di misura utilizzate sono: – mg/l, -ppm, – meq/l.

Quando abbiamo i dati dal laboratorio dobbiamo trasformare i ppm o i mg/l, in meq/l, dove:

meq/l       r = C/Eq  r = quantità in reazione; C = Conc. in mg/l; Eq = Ar/V ; Ar = Massa Atomica; V = Valenza

In letteratura scientifica esistono dei fattori di conversione Fc = 1/Eq, per cui grazie a tabelle(presenti sul Celico) si effettua la correzione, moltiplicando la concentrazione in mg/l per il Fc.

Prima di procedere all’interpretazione dei dati, è necessario controllare la bontà delle analisi, attraverso il bilancio ionico. Il Bilancio ionico è soddisfatto se è verificata una di queste ipotesi:

  • ∑CATIONI = ∑ ANIONI (meq/l);
  • ∑CATIONI – ∑ ANIONI < 2% ∑ CATIONI o ∑IONI(meq/l);
  • ∑CATIONI – ∑ ANIONI ≤ [(0,1065+0,0155)∙ ∑ ANIONI] (meq/l).

In letteratura ci sono diverse formule per verificare la bontà del dato e un esempio è:

Δ=100∙ dove Δ≤5%

Controllato il bilancio ionico, si può procedere allo studio dei parametri.

La temperatura

La temperatura è un  un parametro importante perché influisce su:

  • pH;
  • solubilità;
  • conduttività.

La temperatura delle acque sotterranee dipende dalla temperatura dell’aria(fattore esogeno), o anche dal gradiente geotermico(fattore endogeno). Scherman ha diviso gli acquiferi in tre fasce:

  • Zona di eterotermia giornaliera, la cui T atmosferica giornaliera (fino a 1mnegli acquiferi porosi, 2m in quelli fratturati,sempre qualche metro in più i fratturati perché più permeabili e quindi più conduttivi dal punto di vista del calore);
  • Zona di eterotermia annuale, influenzata dalla T esterna ma annualmente (fino a 15 m negli acquiferi porosi-27 m in quelli fratturati);
  • Zona di omotermia, qui la T non è influenzata dalla T esterna, ma solo dal gradiente geotermico locale.

 Conoscendo le temperature possiamo classificare le acque in:

acque fredde T < 20°; acque ipotermali  20°<T<35°; acque mesotermali 35°<T<50°; acque ipertermali T>50°.

Altre classificazioni possono essere fatte anche in base all’entalpia, soprattutto in sistemi geotermici attivi:

Fluidi ad alta entalpia         T>150°; 

Fluidi a media entalpia        80°<T<150°;

Fluidi a bassa entalpia         50°<T<80°.

Lo studio della T della falda ci consente di determinare, soprattutto per le acque calde in superficie, la T al serbatoio in profondità. Se alla sorgente la T è 40°, quanto vale la T nel sifone di origine? Formula di Desio:

P(CIRCUITO TERMALE) = P(ETEROTERMIA ANNUALE) + (TF – TA)∙ G  

 dove:

P(CIRCUITO TERMALE)  e P( FASCIA ETEROTERMIA ANNUALE)

 in termini di  profondità ;

TF = temperaturafalda in superficie o alla sorgente;

TA = temperatura acqua infiltrazione che in genere può essere pari a circa  TARIA – 2°;G = gradiente geotermico locale.

Il gradiente geotermico varia di qualche grado per ogni 100 m di profondità e si può determinare con un log in profondità. Supponiamo di essere in un acquifero carbonatico:

P = 25 + (39 – 11) ∙ 33 ≈ 950 m  Profondità del sifone carbonatico

N.B.  dove 25 = P(ETEROTERMIA ANNUALE) è una misura media.

Lo studio della T è importante anche per capire se c’è interazione tra l’acquifero oggetto di studio e un altro, o per capire se c’è l’influenza di fluidi profondi.

Salinità Totale (TDS) o Residuo Fisso (RF)

Si intende la quantità di elementi che rimangono per evaporazione(a 180°c) di 1 Kg di acqua. Si esprime in mg/l, e le acque possono essere classificate in base ad un grado di mineralizzazione:

  • Acque oligominerali RF< 200 mg/l;
  • Acque mediominerali 200< RF<1000 mg/l;             Marotta e Sica
  • Acque minerali RF>1000 mg/l.

Per la normativa c’è una classificazione un po’ diversa:

  • Minimamente minerali   50<RF<500 mg/l
  • Medio minerali 500 < RF< 1500 mg/l
  • Ricche in Sali minerali RF>1500 mg/l   

RF può essere ricollegato alla Conducibilità elettrica(a 20°C) attraverso questa formula:

RF = α∙δ20   dove 

α≈0,69≈0,71 per acque di mediamente minerali, ossia con 334< C.E.< 833

Altri autori hanno stabilito altri α per le acque altamente mineralizzate (vedi tab).

TDS è un parametro importante, oltre che per classificare le acque, anche perché ci consente di capire se l’acquifero può essere influenzato da altri fattori che ne determinano quel grado di mineralizzazione (ad esempio consente di verificare la presenza del fenomeno di ingressione marina)

Conducibilità elettrica (μS/cm)

È un parametro importante perché può dare info sulla presenza di contaminati all’interno delle acque. È bene effettuare la misura di questo parametro contestualmente alla T, perché ne è molto influenzato. Se non si potesse misurare è buona norma standardizzarlo a 20°C. δ20 = δT ∙C dove δT = CE dell’acqua alla T del Lab; C = coeff che si prende dalla tab di Rodier.

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