Acquifero

Un acquitardo è una zona all’interno della Terra che limita il flusso delle acque sotterranee da un acquifero all’altro. Un acquitardo può a volte, se completamente impermeabile, essere chiamato un acquiclude o un acquifugo. Gli acquitardi sono composti da strati di argilla o di roccia non porosa con bassa conducibilità idraulica.

Satura contro insaturazione

Vedi anche: Contenuto d’acqua e Umidità del suolo

L’acqua sotterranea può essere trovata in quasi tutti i punti del sottosuolo terrestre in qualche misura, anche se gli acquiferi non contengono necessariamente acqua dolce. La crosta terrestre può essere divisa in due regioni: la zona satura o zona freatica (es, acquiferi, acquitardi, ecc.), dove tutti gli spazi disponibili sono riempiti d’acqua, e la zona insatura (chiamata anche zona vadosa), dove ci sono ancora sacche d’aria che contengono un po’ d’acqua, ma che possono essere riempite con altra acqua.

Satura significa che la testa di pressione dell’acqua è maggiore della pressione atmosferica (ha una pressione relativa > 0). La definizione della falda acquifera è la superficie in cui la testa della pressione è uguale alla pressione atmosferica (dove la pressione manometrica = 0).

Le condizioni insature si verificano sopra la falda acquifera dove la testa della pressione è negativa (la pressione assoluta non può mai essere negativa, ma la pressione manometrica sì) e l’acqua che riempie incompletamente i pori del materiale della falda è sotto aspirazione. L’acqua contenuta nella zona insatura è trattenuta da forze adesive superficiali e sale sopra la falda (l’isobara di pressione relativa zero) per azione capillare per saturare una piccola zona sopra la superficie freatica (la frangia capillare) a meno della pressione atmosferica. Questa è chiamata saturazione di tensione e non è la stessa cosa della saturazione in base al contenuto d’acqua. Il contenuto d’acqua in una frangia capillare diminuisce con l’aumentare della distanza dalla superficie freatica. La testa capillare dipende dalla dimensione dei pori del suolo. Nei terreni sabbiosi con pori più grandi, la prevalenza sarà minore che nei terreni argillosi con pori molto piccoli. Il normale aumento capillare in un terreno argilloso è inferiore a 1,8 m (6 piedi) ma può variare tra 0,3 e 10 m (1 e 33 piedi).

L’aumento capillare dell’acqua in un tubo di piccolo diametro comporta lo stesso processo fisico. La falda è il livello a cui l’acqua sale in un tubo di grande diametro (per esempio, un pozzo) che scende nella falda ed è aperto all’atmosfera.

Acquiferi contro acquitardiModifica

Gli acquiferi sono tipicamente regioni sature del sottosuolo che producono una quantità economicamente fattibile di acqua per un pozzo o una sorgente (per esempio sabbia e ghiaia o roccia fratturata spesso sono buoni materiali per gli acquiferi).

Un acquitardo è una zona all’interno della terra che limita il flusso di acqua freatica da un acquifero all’altro. Un acquitardo completamente impermeabile è chiamato acquiclude o acquifuga. Gli acquitardi comprendono strati di argilla o di roccia non porosa con bassa conducibilità idraulica.

Nelle zone montuose (o vicino ai fiumi nelle zone montuose), gli acquitardi principali sono tipicamente alluvioni non consolidate, composte da strati per lo più orizzontali di materiali depositati dai processi dell’acqua (fiumi e torrenti), che in sezione trasversale (guardando una fetta bidimensionale dell’acquifero) sembrano essere strati di materiali grossolani e fini alternati. I materiali grossolani, a causa dell’alta energia necessaria per muoverli, tendono a trovarsi più vicino alla sorgente (fronti di montagna o fiumi), mentre il materiale a grana fine si troverà più lontano dalla sorgente (nelle parti più piatte del bacino o nelle aree di sponda – a volte chiamate area di pressione). Poiché ci sono meno depositi a grana fine vicino alla sorgente, questo è un posto dove gli acquiferi sono spesso non confinati (a volte chiamati area di avanfossa), o in comunicazione idraulica con la superficie terrestre.

Vedi anche: Conducibilità idraulica e Storatività

Confinato contro non confinatoModifica

Ci sono due estremi nello spettro dei tipi di acquiferi: confinato e non confinato (con il semi-confinato nel mezzo). Gli acquiferi non confinati sono talvolta chiamati anche acquiferi di falda o freatici, perché il loro limite superiore è la falda o la superficie freatica. Tipicamente (ma non sempre) l’acquifero più superficiale in un dato luogo è non confinato, cioè non ha uno strato confinante (un acquitardo o acquiclude) tra esso e la superficie. Il termine “perched” si riferisce all’acqua freatica che si accumula sopra un’unità o strati a bassa permeabilità, come uno strato di argilla. Questo termine è generalmente usato per riferirsi ad una piccola area locale di acqua freatica che si presenta ad un’altezza superiore a quella di una falda acquifera estesa a livello regionale. La differenza tra gli acquiferi perched e non confinati è la loro dimensione (perched è più piccola). Gli acquiferi confinati sono acquiferi che sono sovrapposti da uno strato confinante, spesso fatto di argilla. Lo strato confinante potrebbe offrire una certa protezione dalla contaminazione superficiale.

Se la distinzione tra confinato e non confinato non è chiara geologicamente (cioè, se non si sa se esiste un chiaro strato confinante, o se la geologia è più complessa, per esempio, un acquifero di bedrock fratturato), il valore di storatività restituito da un test dell’acquifero può essere usato per determinarlo (sebbene i test dell’acquifero in acquiferi non confinati dovrebbero essere interpretati diversamente da quelli confinati). Gli acquiferi confinati hanno valori di storatività molto bassi (molto meno di 0,01, e fino a 10-5), il che significa che l’acquifero sta immagazzinando acqua usando i meccanismi di espansione della matrice dell’acquifero e la compressibilità dell’acqua, che tipicamente sono entrambe quantità abbastanza piccole. Gli acquiferi non confinati hanno storatività (tipicamente poi chiamata resa specifica) maggiore di 0,01 (1% del volume di massa); essi rilasciano l’acqua dallo stoccaggio attraverso il meccanismo di drenaggio effettivo dei pori dell’acquifero, rilasciando quantità relativamente grandi di acqua (fino alla porosità drenabile del materiale dell’acquifero, o il minimo contenuto volumetrico di acqua).

Vedi anche: Porosità e Storatività

Isotropo contro anisotropoEdit

In acquiferi isotropi o strati acquiferi la conduttività idraulica (K) è uguale per il flusso in tutte le direzioni, mentre in condizioni anisotrope differisce, in particolare in senso orizzontale (Kh) e verticale (Kv).

Gli acquiferi semiconfinati con uno o più acquitardi funzionano come un sistema anisotropo, anche quando gli strati separati sono isotropi, perché i valori composti di Kh e Kv sono diversi (vedi trasmissività idraulica e resistenza idraulica).

Quando si calcola il flusso verso i drenaggi o il flusso verso i pozzi in un acquifero, l’anisotropia deve essere presa in considerazione per evitare che il progetto risultante del sistema di drenaggio possa essere difettoso.

Poroso, carsico o fratturato

Per gestire correttamente un acquifero le sue proprietà devono essere comprese. Molte proprietà devono essere conosciute per prevedere come un acquifero risponderà alle piogge, alla siccità, al pompaggio e alla contaminazione. Dove e quanta acqua entra nelle acque sotterranee dalle piogge e dal disgelo? Quanto velocemente e in che direzione viaggia l’acqua freatica? Quanta acqua lascia il terreno sotto forma di sorgenti? Quanta acqua può essere pompata in modo sostenibile? Quanto velocemente un incidente di contaminazione raggiungerà un pozzo o una sorgente? I modelli computerizzati possono essere usati per testare quanto accuratamente la comprensione delle proprietà dell’acquifero corrisponda alle reali prestazioni dell’acquifero.:192-193, 233-237 I regolamenti ambientali richiedono ai siti con potenziali fonti di contaminazione di dimostrare che l’idrologia è stata caratterizzata.:3

PorousEdit

L'acqua che filtra lentamente dall'arenaria porosa abbronzata a contatto con lo scisto grigio impermeabile crea una crescita rinfrescante di vegetazione verde nel deserto.
L’acqua negli acquiferi porosi filtra lentamente attraverso gli spazi porosi tra i grani di sabbia

Gli acquiferi porosi si verificano tipicamente in sabbia e arenaria. Le proprietà degli acquiferi porosi dipendono dall’ambiente sedimentario di deposizione e dalla successiva cementazione naturale dei grani di sabbia. L’ambiente in cui un corpo di sabbia è stato depositato controlla l’orientamento dei grani di sabbia, le variazioni orizzontali e verticali e la distribuzione degli strati di scisto. Anche i sottili strati di scisto sono importanti barriere al flusso delle acque sotterranee. Tutti questi fattori influenzano la porosità e la permeabilità degli acquiferi sabbiosi.:413 I depositi sabbiosi formati in ambienti marini poco profondi e in ambienti di dune sabbiose spazzate dal vento hanno una permeabilità da moderata ad alta, mentre i depositi sabbiosi formati in ambienti fluviali hanno una permeabilità da bassa a moderata.:418 Le precipitazioni e il disgelo della neve entrano nelle acque sotterranee dove l’acquifero è vicino alla superficie. Le direzioni del flusso delle acque sotterranee possono essere determinate dalle mappe della superficie potenziometrica dei livelli dell’acqua nei pozzi e nelle sorgenti. I test dell’acquifero e i test dei pozzi possono essere usati con le equazioni di flusso della legge di Darcy per determinare la capacità di un acquifero poroso di trasportare l’acqua.:177-184 Analizzando questo tipo di informazioni su un’area si ottiene un’indicazione di quanta acqua può essere pompata senza sovrasfruttamento e come viaggerà la contaminazione.:233 Negli acquiferi porosi l’acqua freatica scorre come lento infiltramento nei pori tra i grani di sabbia. Una velocità di flusso dell’acqua freatica di 1 piede al giorno (0,3 m/d) è considerata una velocità elevata per gli acquiferi porosi, come illustrato dall’acqua che filtra lentamente dall’arenaria nell’immagine di accompagnamento a sinistra.

La porosità è importante, ma, da sola, non determina la capacità di una roccia di agire come acquifero. Le zone del Deccan Traps (una lava basaltica) nell’India centro-occidentale sono buoni esempi di formazioni rocciose con alta porosità ma bassa permeabilità, il che li rende poveri acquiferi. Allo stesso modo, il gruppo microporoso (Cretaceo superiore) Chalk del sud-est dell’Inghilterra, pur avendo una porosità ragionevolmente alta, ha una bassa permeabilità da grano a grano, con le sue buone caratteristiche di resa idrica dovute principalmente alla microfratturazione e fissurazione.

KarstEdit

Diverse persone in un jon boat su un fiume dentro una grotta.
L’acqua negli acquiferi carsici scorre attraverso condotti aperti dove l’acqua scorre come torrenti sotterranei

Gli acquiferi carsici si sviluppano tipicamente nel calcare. L’acqua superficiale contenente acido carbonico naturale si muove verso il basso in piccole fessure nel calcare. Questo acido carbonico dissolve gradualmente il calcare allargando così le fessure. Le fessure allargate permettono l’entrata di una maggiore quantità di acqua che porta ad un progressivo allargamento delle aperture. Abbondanti piccole aperture immagazzinano una grande quantità d’acqua. Le aperture più grandi creano un sistema di condotti che drenano l’acquifero verso le sorgenti. La caratterizzazione degli acquiferi carsici richiede un’esplorazione sul campo per localizzare doline, inghiottitoi, torrenti che affondano e sorgenti, oltre allo studio delle mappe geologiche:4 I metodi idrogeologici convenzionali come i test dell’acquifero e la mappatura potenziometrica sono insufficienti per caratterizzare la complessità degli acquiferi carsici. Questi metodi di indagine convenzionali devono essere integrati con tracce di coloranti, misurazioni di scarichi di sorgenti e analisi della chimica dell’acqua. Il tracciamento dei coloranti dell’U.S. Geological Survey ha determinato che i modelli convenzionali delle acque sotterranee che assumono una distribuzione uniforme della porosità non sono applicabili agli acquiferi carsici. L’allineamento lineare delle caratteristiche di superficie come i segmenti di torrente rettilinei e le dolinee si sviluppano lungo le tracce di frattura. Localizzare un pozzo in una traccia di frattura o in un’intersezione di tracce di frattura aumenta la probabilità di incontrare una buona produzione di acqua. I vuoti negli acquiferi carsici possono essere abbastanza grandi da causare un collasso distruttivo o una subsidenza della superficie del terreno che può creare un rilascio catastrofico di contaminanti.:3-4 La velocità di flusso dell’acqua freatica negli acquiferi carsici è molto più rapida che negli acquiferi porosi, come mostrato nell’immagine di accompagnamento a sinistra. Per esempio, nell’acquifero di Barton Springs Edwards, tracce di colorante hanno misurato le velocità di flusso dell’acqua freatica carsica da 0,5 a 7 miglia al giorno (da 0,8 a 11,3 km/d). Le rapide velocità di flusso dell’acqua freatica rendono gli acquiferi carsici molto più sensibili alla contaminazione dell’acqua freatica rispetto agli acquiferi porosi.:1

Nel caso estremo, l’acqua freatica può esistere in fiumi sotterranei (es, grotte sottostanti la topografia carsica.

Fratturato

Se un’unità rocciosa di bassa porosità è altamente fratturata, può anche essere un buon acquifero (attraverso il flusso delle fessure), purché la roccia abbia una conducibilità idraulica sufficiente a facilitare il movimento dell’acqua.

Acquifero transfrontalieroModifica

Quando un acquifero trascende i confini internazionali, si applica il termine acquifero transfrontaliero.

La transfrontalità è un concetto, una misura e un approccio introdotto per la prima volta nel 2017. La rilevanza di questo approccio è che le caratteristiche fisiche degli acquiferi diventano solo variabili aggiuntive tra l’ampio spettro di considerazioni sulla natura transfrontaliera di un acquifero:

  • sociale (popolazione);
  • economico (produttività delle acque sotterranee);
  • politico (in quanto transfrontaliero);
  • ricerca o dati disponibili;
  • qualità e quantità dell’acqua;
  • altre questioni all’ordine del giorno (sicurezza, commercio, immigrazione e così via).

La discussione cambia dalla tradizionale domanda “l’acquifero è transfrontaliero?”

I contesti socio-economici e politici sovrastano effettivamente le caratteristiche fisiche dell’acquifero aggiungendo il suo corrispondente valore geostrategico (la sua transfrontalità)

I criteri proposti da questo approccio cercano di incapsulare e misurare tutte le potenziali variabili che giocano un ruolo nel definire la natura transfrontaliera di un acquifero e i suoi confini multidimensionali.

Mappa dei principali acquiferi statunitensi per tipo di roccia