Capitolo 1: Introduzione

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Introduzione

Traduzione: Paolo Cerutti (Italy)
Revisione: Viviana Re (Italy)
 

1.1 Le acque sotterranee, la rerra, l’uomo

Questo libro riguarda le acque sotterranee. Riguarda gli ambienti geologici che controllano la presenza delle acque sotterranee. Riguarda le leggi fisiche che descrivono il flusso delle acque sotterranee. Riguarda l’evoluzione chimica che ne accompagna il flusso. E riguarda anche l’influenza dell’uomo sul regime delle acque sotterranee naturali, e l’influenza del regime delle acque sotterranee naturali sull’uomo.

Il termine acqua sotterranea è solitamente riservato all’acqua del sottosuolo che si trova al di sotto della superficie freatica in terreni e formazioni geologiche completamente sature. Manterremo questa definizione classica, ma lo faremo pienamente coscienti che lo studio delle acque sotterranee deve basarsi sulla comprensione del regime idrico sotterraneo nel senso più ampio. Il nostro approccio sarà compatibile con quello tradizionale sul flusso superficiale, saturo delle acque sotterranea; ma ricomprenderà anche il regime dell’umidità del terreno più vicino alla superficie, insaturo, che gioca un ruolo così importante nel ciclo idrologico, e includerà i regimi molto più profondi e saturi, che hanno un’influenza importante su molti processi geologici.

Noi riteniamo lo studio delle acque sotterranee come interdisciplinare per natura. C’è in questo testo un tentativo consapevole di integrare chimica e fisica, geologia e idrologia, scienza e ingegneria in misura maggiore di quanto è stato fatto in passato. Lo studio delle acque sotterranee coinvolge geologi, idrologi, scienziati del suolo, ingegneri agrari, forestali, geografi, ecologi, ingegneri geotecnici, ingegneri minerari, ingegneri sanitari, analisti di giacimenti petroliferi e probabilmente altri. Ci auguriamo che la nostra trattazione introduttiva sia in sintonia con queste necessità vaste ed interdisciplinari.

Se questo libro fosse stato scritto una decina di anni fa, avrebbe trattato le acque sotterranee quasi esclusivamente come una risorsa. Le esigenze di quel tempo avrebbero dettato quell’approccio, e i libri scritti in quell’epoca riflettevano quelle necessità. In essi si enfatizzava lo sviluppo dell’approvvigionamento idrico mediante pozzi e il calcolo della potenzialità degli acquiferi. I problemi delle acque sotterranee come tali sono quelli che minacciano quella potenzialità. Gli aspetti di approvvigionamento idrico delle acque sotterranee sono ancora importanti e saranno trattati in questo testo con il rispetto che meritano. Ma le acque sotterranee sono ben più di una risorsa. Sono un elemento importante dell’ambiente naturale; comportano problemi ambientali e possono in alcuni casi offrire un mezzo per la soluzione di problemi ambientali. Fanno parte del ciclo idrologico, e la comprensione del loro ruolo in questo ciclo è obbligatoria se si vogliono promuovere analisi integrate ove si considerino le risorse a scala di bacino e si valutino contaminazioni ambientali a scala regionale. In un contesto ingegneristico, le acque sotterranee contribuiscono a problemi geotecnici quali la stabilità dei pendii e il cedimento dei terreni. Le acque sotterranee sono anche una chiave per comprendere un’ampia varietà di processi geologici, tra cui la generazione dei terremoti, la migrazione e l’accumulo di petrolio, e la genesi di alcuni tipi di depositi minerali, tipi di suolo e forme del terreno.

I primi cinque capitoli di questo libro pongono le basi fisiche, chimiche e geologiche per lo studio delle acque sotterranee. Gli ultimi sei capitoli applicano questi principi nelle diverse sfere dell’interazione tra acque sotterranee, terra e uomo. I paragrafi che seguono possono essere visti come un’introduzione a ciascuno dei capitoli successivi.

Le acque sotterranee e il ciclo idrologico

L’incessante circolazione di acqua tra oceano, atmosfera e terra è chiamata ciclo idrologico. Il nostro interesse si concentra sulla porzione terrestre del ciclo in quanto operante su un qualunque bacino idrografico. Le Figure 1.1 e 1.2 forniscono due diagrammi schematici del ciclo idrologico in un bacino, che vengono inseriti qui essenzialmente per fornire al lettore un’introduzione schematica alla terminologia idrologica. La Figura 1.1 è concettualmente la migliore in quanto evidenzia i processi e illustra il concetto di sistema di flusso nel ciclo idrologico. La rappresentazione nel diagramma di flusso a celle della Figura 1.2 è spesso utilizzata nell’approccio sistematico alla modellazione idrologica; non riesce a riflettere la dinamica della situazione, ma differenzia chiaramente tra quei termini che implicano un moto (nelle celle esagonali) e quelli che implicano uno stoccaggio (nelle celle rettangolari).

Rappresentazione schematica del ciclo idrologico.
Figura 1.1 Rappresentazione schematica del ciclo idrologico.
Rappresentazione sistematica del ciclo idrologico.
Figura 1.2 Rappresentazione sistematica del ciclo idrologico.

L’afflusso (flusso in entrata; ndt) in un sistema idrologico è fornito dalle precipitazioni, sotto forma di pioggia o di neve disciolta. Il deflusso (flusso in uscita; ndt) avviene come flusso concentrato (o come ruscellamento) e come evapotraspirazione, una combinazione di evaporazione da corpi idrici aperti, evaporazione dalla superficie del suolo e traspirazione dal suolo da parte delle piante. Le precipitazioni sono recapitate ai corsi d’acqua sia sulla superficie terrestre, come flusso da diffuso a canali tributari; sia per vie di flusso sotterranee, come interflusso e flusso di base conseguenti all’infiltrazione nel terreno. La Figura 1.1 chiarisce che ogni bacino idrografico deve essere visto come una combinazione sia dell’area di drenaggio in superficie, sia della porzione di terreni nel suo sottosuolo e delle formazioni geologiche sottostanti. I processi idrologici sotterranei sono importanti tanto quanto i processi superficiali. In effetti, si potrebbe ribattere che sono anche più importanti, poiché è la natura dei materiali del sottosuolo quella che controlla i tassi di infiltrazione, che a loro volta influenzano la distribuzione temporale e spaziale del ruscellamento superficiale. Nel Capitolo 6 esamineremo più in dettaglio la natura degli schemi di flusso regionale delle acque sotterranee e studieremo le relazioni tra infiltrazione, ricarica delle acque sotterranee, deflusso delle acque sotterranee, flusso di base e generazione di flusso concentrato. Nel Capitolo 7, esamineremo l’evoluzione chimica delle acque sotterranee che accompagna il loro passaggio attraverso la parte sotterranea del ciclo idrologico.

Prima di chiudere questa sezione, vale la pena osservare alcuni dati che riflettono l’importanza quantitativa delle acque sotterranee rispetto alle altre componenti del ciclo idrologico. In anni recenti è stata dedicata un’attenzione considerevole al concetto di bilancio idrico planetario (Nace, 1971; Lvovitch, 1970; Sutcliffe, 1970), e le più recenti stime di questi dati sottolineano la natura ubiquitaria delle acque sotterranee nell’idrosfera. Con riferimento alla Tabella 1.1, se trascuriamo il 94% dell’acqua della terra che si trova negli oceani e nei mari ad alti livelli di salinità, le acque sotterranee rappresentano circa i due terzi delle risorse di acqua dolce del mondo. Se ci limitiamo a considerare le risorse di acqua dolce utilizzabili (meno le calotte polari e i ghiacciai), le acque sotterranee rappresentano quasi la totalità del volume. E anche se consideriamo solo i regimi delle acque sotterranee più “attive”, che Lvovitch (1970) stima a 4 × 106 km3 (piuttosto che 60 × 106 km3 di Tabella 1.1), la frazione di acqua dolce arriva a: acque sotterranee, 95%; laghi, paludi, bacini idrici e canali fluviali, 3,5%; e umidità del suolo, 1,5%.

Tabella 1.1 Stima del bilancio idrico del pianeta

Parametro Area in superficie
(km2) x 106
Volume (km3) × 106 Volume (%) Profondità equivalente (m)* Tempo di permanenza
Oceani e mari 361 1.370 94 2.500 ~ 4.000 anni
Laghi e bacini 1,55 0,13 <0,01 0,25 ~ 10 anni
Paludi <0,1 <0,01 <0,01 0,007 1 – 10 anni
Aste fluviali <0,1 <0,01 <0,01 0,003 ~ 2 settimane
Umidità del terreno 130 0,07 <0,01 0,13 2 settimane – 1 anni
Acque sotterranee 130 60 4 120 2 settimane – 10.000 anni
Calotte e ghiacciai 17,8 30 2 60 10 – 1.000 anni
Acqua nell’atmosfera 504 0,01 <0,01 0,025 ~ 10 giorni
Acqua nella biosfera <0,1 <0,01 <0,01 0,001 ~ 1 settimana
FONTE: Nace, 1971.
* Calcolato nell’ipotesi di immagazzinamento uniformemente distribuito sull’intera superficie terrestre.

Questa superiorità volumetrica, tuttavia, è mitigata dai tempi medi di residenza. L’acqua dei fiumi ha un tempo di ricambio dell’ordine delle 2 settimane. Le acque sotterranee d’altra parte si muovono lentamente, e tempi di residenza di decine, centinaia ed anche migliia di non sono rari. I principi esposti nel Capitolo 2 e le considerazioni sul flusso regionale del Capitolo 6 chiariranno il controllo che i fattori idrogeologici esercitano sul movimento delle acque sotterranee a grande scala.

La maggior parte dei testi di idrologia contiene trattazioni dettagliate del ciclo idrologico e del bilancio idrico globale. Wisler e Brater (1959) e Linsley, Kohler e Paulhus (1975) sono testi introduttivi di idrologia ampiamente usati. Un recente testo di Eagleson (1970) porta questa scienza ad un livello più avanzato. L’enorme Handbook of Applied Hydrology, curato da Chow (1964a), è un prezioso riferimento. È interessante anche studiare la storia dello sviluppo del pensiero idrologico. Chow (1964b) fornisce una discussione concisa; l’estensione della trattazione nel libro di Biswas (1970) fornisce una grande ricchezza di dettagli, che partono dai contributi dei primi Egizi e dei filosofi greci e romani, per giugere fino alla nascita dell’idrologia scientifica nell’Europa occidentale nel XVIII e XIX secolo.

Le acque sotterranee come risorsa

La principale spinta allo studio delle acque sotterranee è tradizionalmente stata la sua importanza come risorsa. Per gli Stati Uniti, il significato del ruolo delle acque sotterranee come componente del consumo idrico nazionale può essere ricavato dagli studi statistici del U.S. Geological Survey come riportati più recentemente per l’anno 1970 da Murray e Reeves (1972) e riassunti da Murray (1973).

La Tabella 1.2 documenta la crescita dell’utilizzo dell’acqua negli Stati Uniti nel periodo 1950–1970. Nel 1970 la nazione usava 1400 × 106 km3/giorno. Di questi, il 57% era destinato all’uso industriale e il 35% all’irrigazione. Le acque superficiali fornivano l’81% del totale, le acque sotterranee il 19%. La figura 1.3 illustra graficamente il ruolo delle acque sotterranee rispetto a quello delle acque superficiali nei quattro principali campi di utilizzo, nel periodo 1950–1970. Le acque sotterranee sono meno importanti nell’uso industriale, ma garantiscono una significativa dell’approvvigionamento per uso domestico, sia rurale che urbano, e per l’irrigazione.

I dati in Tabella 1.2 e in Figura 1.3 nascondono alcune sorprendenti differenze regionali. Circa l’80% dell’uso totale per irrigazione avviene nei 17 stati occidentali, mentre l’84% dell’uso industriale nei 31 stati orientali. Le acque sotterranee sono utilizzate più diffusamente nell’Ovest, dove rappresentano il 46% della fornitura pubblica e il 44% dell’utilizzo industriale (contro il 29% e il 16%, rispettivamente, nell’Est).

Tabella 1.2 Utilizzi dell’acqua negli Stati Uniti, 1950–1970.

    m3/giorno x 106* Percentuali
dell’uso del 1970
1950 1955 1960 1965 1970
Totale acqua prelevata 758 910 1023 1175 1400 100
Uso            
Pubblico 53 64 80 91 102 7
Rurale 14 14 14 15 17 1
Irrigazione 420 420 420 455 495 35
Industriale 292 420 560 667 822 57
Fonte            
Acque sotterranee 130 182 190 227 262 19
Acque superficiali 644 750 838 960 1150 81
FONTE: Murray, 1973.
*1 m3 = 103ℓ = 264 galloni americani.
Uso di acqua superficiale (tratteggiata) e acqua sotterranea (punteggiata) negli Stati Uniti, 1950–1970 (da Murray, 1973).
Figura 1.3 Uso di acqua superficiale (tratteggiata) e acqua sotterranea (punteggiata) negli Stati Uniti, 1950–1970 (da Murray, 1973).

In Canada, l’utilizzo rurale e urbano delle acque sotterranee è stato stimato da Meyboom (1968) in 1,71 × 106 m3/giorno, ovvero il 20% del consumo totale di acqua per gli stessi scopi. Questo grado di utilizzo delle acque sotterranee è notevolmente inferiore a quello degli Stati Uniti, anche ove si consideri il rapporto tra le popolazioni dei due paesi. Uno sguardo più dettagliato ai dati mostra che lo sviluppo delle acque sotterranee rurali in Canada è relativamente simile allo sviluppo rurale negli Stati Uniti, ma l’uso di acque sotterranee per scopi urbani è significativamente inferiore. Le differenze più evidenti si riscontrano nell’irrigazione e nell’uso industriale, dove anche in proporzione il consumo totale di acqua in Canada è molto inferiore a quello negli Stati Uniti e la componente di acqua sotterranea di tale uso è estremamente ridotta.

McGuinness (1963), citando uno studio del comitato del Senato degli Stati Uniti, ha fornito previsioni sulla futura domanda idrica negli Stati Uniti, ove si suggerisce che il fabbisogno idrico raggiunga 1700 × 106 m3/giorno entro il 1980 e 3360 × 106 m3/giorno entro il 2000. Il raggiungimento di questi livelli di produzione rappresenterebbe una significativa accelerazione del ritmo di aumento del consumo idrico delineato in Tabella 1.2. La cifra per l’anno 2000 inizia ad avvicinarsi alla potenzialità totale di risorse idriche della nazione, che si stima sia di circa 4550 × 106 m3/giorno. Se tale domanda deve essere soddisfatta, è ampiamente condiviso che le risorse idriche sotterranee dovranno fornire, sul totale, una percentuale maggiore. McGuinness relativamente alle previsioni di cui sopra osserva che, se il contributo percentuale delle acque sotterranee dovesse passare dal 19% al 33%, il corrispondente valore assoluto dovrebbe aumentare dagli attuali 262 × 106 m3/giorno a 705 × 106 m3/giorno nel 1980 e 1120 × 106 m3/giorno nel 2000. Egli rileva che le proprietà desiderabili delle acque sotterranee, come chiarezza, purezza batterica, temperatura costante e qualità chimica, possono incoraggiare il necessario sviluppo su larga scala, ma avverte che le acque sotterranee, specialmente quando richieste in grandi quantità, sono intrinsecamente più difficili e costose da localizzare, valutare, sviluppare e gestire rispetto alle acque superficiali. Egli osserva, come abbiamo fatto anche noi, che le acque sotterranee rappresentano una intera fase del ciclo idrologico. Sono passati i giorni in cui le acque sotterranee e di superficie potevano essere considerate risorse separate. La pianificazione dell’uso delle risorse deve essere effettuata con la consapevolezza che le acque sotterranee e quelle superficiali hanno la stessa origine.

Nel Capitolo 8 discuteremo le tecniche di valutazione delle risorse idriche sotterranee: dai problemi geologici dell’esplorazione degli acquiferi, attraverso i metodi di campo e di laboratorio per la misura e la stima dei parametri, alla simulazione delle prestazioni del pozzo, del rendimento degli acquiferi e dello sfruttamento delle acque sotterranee a scala di bacino.

Contaminazione delle acque sotterranee

Se le acque sotterranee dovranno continuare a svolgere un ruolo importante nello sviluppo delle potenzialità delle risorse idriche mondiali, dovranno essere protette dalla crescente minaccia di contaminazione del sottosuolo. La crescita della popolazione e della produzione industriale e agricola dopo la seconda guerra mondiale, unita al conseguente aumento della domanda per lo sviluppo energetico, ha per la prima volta nella storia dell’uomo iniziato a produrre quantità di rifiuti ben maggiori di quelle che l’ambiente è in grado di assorbire facilmente. La scelta del metodo di smaltimento dei rifiuti si è ormai ridotta alla scelta del metodo meno opinabile tra una serie di alternative opinabili. Come mostrato schematicamente in Figura 1.4, non esistono metodi di smaltimento dei rifiuti su larga scala attualmente convenienti che implichino un rischio di grave inquinamento di almeno alcune delle componenti del nostro ambiente naturale. Mentre si è manifestata una crescente preoccupazione per l’inquinamento atmosferico e delle acque superficiali, questo stesso attivismo non ha ancora ricompreso l’ambiente sotterraneo. Infatti, le pressioni per ridurre l’inquinamento superficiale sono in parte responsabili del fatto che chi opera nella gestione dei rifiuti sta iniziando a considerare lo smaltimento dei rifiuti nel sottosuolo. Due delle tecniche di smaltimento attualmente in uso e considerate ottimisticamente per il futuro sono l’iniezione in pozzi profondi per i rifiuti liquidi e le discariche controllate per i rifiuti solidi. Entrambe queste tecniche possono determinare un inquinamento del sottosuolo. L’inquinamento del sottosuolo può essere causato anche da infiltrazioni da stagni e lagune che sono ampiamente utilizzati come componenti di più ampi sistemi di smaltimento dei rifiuti e dalla lisciviazione di rifiuti animali, fertilizzanti e pesticidi dai suoli agricoli.

Nel Capitolo 9 prenderemo in considerazione l’analisi della contaminazione delle acque sotterranee. Tratteremo i principi e i processi che ci consentono di analizzare i problemi generali dello smaltimento dei rifiuti urbani e industriali, nonché alcuni problemi più specifici associati alle attività agricole, a sversamenti di petrolio, ad attività minerarie e a rifiuti radioattivi. Discuteremo anche della contaminazione delle falde acquifere costiere mediante intrusione di acqua salata. In tutti questi problemi, le considerazioni sulla fisica del flusso di acque sotterranee devono essere associate a quelle sulle proprietà chimiche ed ai principi introdotti nel Capitolo 3; e tale associazione deve essere effettuata alla luce dei concetti di evoluzione geochimica naturale discussi nel Capitolo 7.

Spettro delle alternative per lo smaltimento dei rifiuti.
Figura 1.4 Spettro delle alternative per lo smaltimento dei rifiuti.

Le acque sotterranee come problema geotecnico

Le acque sotterranee non sono sempre una benedizione. Durante la realizzazione del tunnel di San Jacinto in California, l’avanzamento del tunnel di questo acquedotto da diversi milioni di dollari è stato bloccato per molti mesi a seguito di massicci ed inaspettati afflussi di acque sotterranee provenienti da un sistema di zone di faglia altamente fratturate.

A Città del Messico nel periodo 1938–1970, la subsidenza in alcune parti della città ha raggiunto gli 8,5 m. Gli assestamenti differenziali continuano a rappresentare gravi problemi per la progettazione ingegneristica. La causa principale della subsidenza è ora riconosciuta come il prelievo eccessivo di acque sotterranee dalle falde acquifere.

Alla diga di Jerome, nell’Idaho, la diga collassò, non a casua di una debolezza strutturale nel corpo della diga, ma per la semplice ragione che la diga stessa non era in grado di trattenere l’acqua del bacino. I sistemi di flusso delle acque sotterranee stabilitisi nelle formazioni rocciose adiacenti al serbatoio avevano infatti determinato perdite di entità tale che la diga ha dovuto essere abbandonata.

Sul sito proposto per la diga di Revelstoke, nella Columbia Britannica, sono stati condotti diversi anni di indagini geologiche esplorative su un’antica frana che era stata identificata sulla sponda del serbatoio diverse miglia a monte del sito della diga. Il timore era rappresentato dalla possibilità che l’aumento delle pressioni delle acque sotterranee nel corpo della frana causate dal riempimento del bacino potesse innescare una instabilità del pendio. Un evento di questo tipo ha fatto quasi 2500 vittime nel 1963 nel famigerato disastro del bacino di Vaiont in Italia. Presso il sito di Revelstoke è stato condotto un massiccio programma di drenaggio per garantire che l’esperienza di Vaiont non si ripetesse.

Nel Capitolo 10 esploreremo l’applicazione dei principi del flusso delle acque sotterranee a questi tipi di problemi geotecnici e ad altri. Alcuni dei problemi, come la perdita da dighe e gli afflussi verso gallerie e miniere a cielo aperto, si generano come conseguenze di eccessive velocità e quantità di acque sotterranee. Per altri, come la subsidenza di un territorio o l’instabilità di un pendio, l’influenza deriva dalla presenza di eccessive pressioni del flusso delle acque sotterranee, piuttosto che dalla velocità del flusso stesso. In entrambi i casi, la ricostruzione del reticolo di flusso, introdotta nel Capitolo 5, è un potente strumento analitico.

Acque sotterranee e processi geologici

Esistono pochissimi processi geologici che non abbiano luogo in presenza di acque sotterranee. Ad esempio, esiste una stretta interrelazione tra sistemi di flusso delle acque sotterranee e sviluppo geomorfologico delle forme del paesaggio, siano esse generate da processi fluviali e da processi glaciali, o dal normale sviluppo dei pendii naturali. Le acque sotterranee sono l’elemento più importante nello sviluppo degli ambienti carsici.

Le acque sotterranee svolgono un ruolo nella concentrazione di alcuni giacimenti minerari di interesse economico e nella migrazione ed accumulo di petrolio.

Forse il ruolo geologico più spettacolare che le acque sotterranee giocano risiede nel controllo che le loro pressioni esercitano sui meccanismi di fagliazione e scorrimento. Una interessante conseguenza emersa di recente di questa interazione è l’idea che potrebbe essere possibile controllare i terremoti su faglie attive manipolando le pressioni del fluido naturale nelle zone di faglia.

Nel Capitolo 11, approfondiremo il ruolo delle acque sotterranee quale agente in vari processi geologici.

1.2 I fondamenti scientifici per lo studio delle acque sotterranee

Lo studio delle acque sotterranee richiede la conoscenza di molti dei principi di base della geologia, della fisica, della chimica e della matematica. Ad esempio, il flusso di acque sotterranee nell’ambiente naturale dipende fortemente dall’assetto tridimensionale dei depositi geologici attraverso i quali il flusso avviene. L’idrologo delle acque sotterranee o il geologo devono quindi avere una certa esperienza nell’interpretazione delle evidenze geologiche e un certo talento per la visualizzazione degli ambienti geologici. Dovrebbero aver praticato la sedimentologia e la stratigrafia e avere comprensione dei processi che portano alla messa in posto di rocce ignee vulcaniche e intrusive. Dovrebbero conoscere i concetti di base della geologia strutturale ed essere in grado di riconoscere e prevedere l’influenza di faglie e pieghe nei sistemi geologici. Di particolare importanza per chi studia le acque sotterranee è la comprensione della natura dei depositi e delle forme del terreno. Un’ampia parte del flusso di acque sotterranee e una significativa percentuale dello sviluppo delle risorse idriche sotterranee ha luogo di depositi superficiali non consolidati creati da processi geologici fluviali, lacustri, glaciali, deltizi ed eolici. Nei due terzi settentrionali del Nordamerica la comprensione della presenza e del flusso delle acque sotterranee si basa quasi interamente sulla comprensione della geologia glaciale dei depositi pleistocenici.

La geologia ci fornisce una conoscenza qualitativa della struttura del flusso, ma sono la fisica e la chimica che ci forniscono gli strumenti per un’analisi quantitativa. Il flusso delle acque sotterranee esiste come un campo, come avviene per il calore e per l’elettricità, e una precedente esperienza in questi settori più classici ci fornisce una buona base anche per l’analisi del moto delle acque sotterranee. Il corpo di leggi che controlla il flusso delle acque sotterranee è un caso particolare di quel ramo della fisica noto come meccanica dei fluidi. Una certa comprensione delle proprietà meccaniche di base di liquidi e solidi e la confidenza con le loro dimensioni e unità, aiuterà lo studente ad afferrare anche le leggi del flusso di acque sotterranee. L’Appendice I fornisce una rassegna di elementi della meccanica dei fluidi. Qualsiasi lettore che non si senta a proprio agio con concetti come densità, pressione, energia, lavoro, sforzo e carico farebbe bene a consultare l’Appendice prima di affrontare il Capitolo 2. Se si desidera una trattazione più dettagliata della meccanica dei fluidi, Streeter (1962) e Yennard (1961) sono testi standard; Albertson e Simons (1964) forniscono una breve e utile rassegna. Per il tema specifico del flusso in mezzi porosi, una trattazione fisica più avanzata di quanto si tenti in questo testo può essere trovata in Scheidegger (1960) e Collins (1961), e specialmente in Bear (1972).

L’analisi dell’evoluzione chimica naturale delle acque sotterranee e del comportamento dei contaminanti nelle acque sotterranee richiede l’applicazione di alcuni principi di chimica inorganica e di chimica-fisica. Questi principi sono da molto tempo parte dei metodi dei geochimici e negli ultimi decenni sono diventati di applicazione comune anche nello studio delle acque sotterranee. Principi e tecniche mutuate dal campo della chimica nucleare stanno ora contribuendo alla nostra maggiore comprensione degli ambienti delle acque sotterranee. Gli isotopi stabili e radioattivi presenti in natura, ad esempio, vengono utilizzati per determinare l’età delle acque nei sistemi sotterranei.

L’idrologia delle acque sotterranee è una scienza quantitativa, quindi non dovrebbe sorprendere scoprire che la matematica è la sua lingua, o almeno uno dei suoi dialetti principali. Sarebbe quasi impossibile, e abbastanza sciocco, ignorare i potenti strumenti che anche nel settore delle acque sotterranee poggiano sulla comprensione della matematica. I metodi matematici su cui si basano gli studi classici sul flusso di acque sotterranee sono stati presi a prestito, dai primi ricercatori del settore, da aree della matematica applicata originariamente sviluppate per la trattazione di problemi di flusso di calore, di elettricità e di magnetismo. Dall’avvento del computer digitale e della sua ampia disponibilità, molti importanti progressi recenti nell’analisi dei sistemi delle acque sotterranee si basano su approcci matematici molto diversi generalmente noti come metodi numerici. Sebbene in questo testo non siano stati approfonditi né i metodi analitici classici, né i metodi numerici, la nostra intenzione è stata quella di inserire nel testo materiale introduttivo comunque sufficiente per illustrare alcuni dei concetti più importanti.

Il nostro non è certamente il primo testo ad essere scritto sulle acque sotterranee. C’è molto materiale di interesse in molti testi precedenti. Todd (1959) è da molti anni il testo introduttivo standard di ingegneria nell’idrologia delle acque sotterranee. Davis e De Wiest (1966) pongono un’enfasi molto maggiore sulla geologia. Per un testo totalmente dedicato agli aspetti di valutazione delle risorse delle acque sotterranee, non ce ne sono di migliori di Walton (1970) e Kruseman e De Ridder (1970). Un testo più recente di Domenico (1972) differisce dai suoi predecessori in quanto presenta la teoria di base nel contesto della modellazione dei sistemi idrologici. Tra i migliori testi dall’estero ci sono quelli di Schoeller (1962), Bear, Zaslavsky e Irmay (1968), Custodio e Llamas (1974), e il trattato russo avanzato di Polubarinova-Kochina (1962).

Ci sono molte altre scienze della terra applicate che coinvolgono il flusso di fluidi attraverso mezzi porosi. Esiste una stretta parentela tra idrologia delle acque sotterranee, fisica e meccanica dei terreni, meccanica delle rocce e ingegneria dei giacimenti di petrolio. Gli studenti di acque sotterranee troveranno molto interesse nei libri di testo forniti da questi campi, come Baver, Gardner e Gardner (1972), Kirkham and Powers (1972), Scott (1963), Jaeger e Cook (1969) e Pirson (1958).

1.3 I fondamenti tecnici per lo sviluppo delle risorse idriche sotterranee

Le prime due sezioni di questo Capitolo 1 forniscono un’introduzione agli argomenti che intendiamo trattare in questo testo. È altrettanto importante chiarire ciò che non intendiamo trattare. Come la maggior parte delle scienze applicate, lo studio delle acque sotterranee può essere suddiviso in tre aspetti generali: scienza, ingegneria e tecnologia. Questo libro di testo dedica grande enfasi ai principi scientifici; comprende molto del metodo di analisi dell’ingegneria; non è in alcun modo un manuale sulla tecnologia.

Tra gli argomenti tecnici che non vengono discussi in alcun modo ci sono: i metodi di perforazione; la progettazione, costruzione e manutenzione dei pozzi; i log geofisici e i campionamenti. Sono tutte conoscenze necessarie per lo specialista compiuto delle acque sotterranee, ma tutte sono ben trattate altrove, e tutte si apprendono meglio dall’esperienza pratica piuttosto che da uno studio pedestre.

Vi sono diversi libri (Briggs e Fiedler, 1966, Gibson and Singer, 1971; Campbell e Lehr, 1973; U.S. Environmental Protection Agency, 1973a, 1976) che forniscono descrizioni tecniche dei vari tipi di attrezzature per la trivellazione di pozzi per acqua. Gli stessi contengono inoltre informazioni sulla progettazione e sulla scelta dei filtri dei pozzi, su scelta ed installazione delle pompe, sulla costruzione e manutenzione dei pozzi.

In tema di logs geofisici sulle perforazioni, il riferimento standard nell’industria petrolifera, che ha generato la maggior parte delle tecniche, è Pirson (1963). Patten e Bennett (1963) discutono le varie tecniche con riferimento specifico all’esplorazione per le acque sotterranee. Dedicheremo nella Sezione 8.2 una breve menzione alla perforazione del sottosuolo e alla registrazione dei logs, ma il lettore che vorrà vedere esempi in numero maggiore nel contesto di case histories di valutazione delle risorse idriche sotterranee va indirizzato su Walton (1970).

C’è un altro aspetto delle acque sotterranee che è tecnico, ma in un senso diverso, che non è considerato in questo testo. Ci riferiamo al tema delle leggi sulle acque sotterranee. Lo sviluppo e la gestione delle risorse idriche sotterranee devono avvenire nel quadro dei diritti sull’acqua stabiliti dalla legislazione vigente. Tale legislazione è generalmente stabilita a livello statale o provinciale, e il risultato in Nord America è un collage di varie tradizioni, diritti e statuti. Piper (1960) e Dewsnut et al. (1973) hanno valutato la situazione negli Stati Uniti. Thomas (1958) ha attirato l’attenzione su alcuni dei paradossi che derivano dai conflitti tra l’idrologia e le leggi.

Letture Consigliate

CHOW, V. T. 1964. Hydrology and its development. Handbook of Applied Hydrology, ed. V. T. Chow. McGraw-Hill, New York, pp. 1.1–1.22.

MCGUINNESS, C. L. 1963. The role of groundwater in the national water situation. U.S. Geol. Surv. Water-Supply Paper 1800.

MURRAY, C. R. 1973. Water use, consumption, and outlook in the U.S. in 1970. J. Amer. Water Works Assoc., 65, pp. 302–308.

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