impiego di misure infiltrometriche e di resistività elettrica per la

Mus. civ. Rovereto
Atti del Workshop in geofisica
7 dicembre 2007
139-156
2008
MARIA CLEMENTINA CAPUTO, FRANCESCO DE BENEDICTIS, LORENZO DE
CARLO & COSTANTINO MASCIOPINTO (*)
IMPIEGO DI MISURE INFILTROMETRICHE E DI RESISTIVITÀ
ELETTRICA PER LA CALIBRAZIONE DI MODELLI NUMERICI
DI FLUSSO NON SATURO IN CALCARI FRATTURATI
Abstract - MARIA CLEMENTINA CAPUTO, FRANCESCO DE BENEDICTIS, LORENZO DE CARLO, COSTANTINO MASCIOPINTO - Electrical resistivity measurements and infiltrometer tests for calibrating
numerical modelling of unsaturated flow in fractured limestone.
Karstic and fractured aquifers are among the most important drinking water resources,
although they are particularly vulnerable to contamination. Due to their heterogeneity, research
aimed at a better understanding of flow, solute transport and biological processes in these hydrogeological systems is a difficult scientific challenge. Field tests were carried out on the outcrop
of karstic and fractured limestone that overlies the deep aquifer of Alta Murgia in Southern
Italy, which has recently been affected by untreated sludge disposal derived from municipal and
industrial wastewater treatment plants. In this study, subsurface electrical resistivity measurements were used to visualise the infiltration of water in the subsoil, due to unsaturated water
flow in the fractures. Simultaneously, the quasi-steady vertical flow into the unsaturated fractures was investigated by measuring water levels during infiltrometer tests, using a large adjustable ring infiltrometer, designed to be installed on-site directly on the rock to measure the fieldsaturated hydraulic conductivity. Electrical resistivity profiles were performed using WennerSchlumberger array, by using 16 steel electrodes with 0.5 meter spacing and «time-lapse» technique. In the ring, the water level reached a maximum level of 13 cm from the ground surface
and its decreasing was measured using a pressure transducer PTX DRUCK LDR-ENGLAND.
The results obtained were used for calibrating a numerical code for unsaturated flow (in the xz
plane) of fractured limestone.
Key words: Fractured limestone, Infiltrometer test, Unsaturated flow, Electrical resistivity,
Mathematical modelling.
(*) Maria Clementina Caputo, Francesco De Benedictis, Lorenzo De Carlo, Costantino Masciopinto,
CNR-IRSA ( Istituto di Ricerca Sulle Acque), Viale F. De Blasio, 5 - 70123 Bari.
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Riassunto - MARIA CLEMENTINA CAPUTO, FRANCESCO DE BENEDICTIS, LORENZO DE CARLO & COSTANTINO MASCIOPINTO - Impiego di misure infiltrometriche e di resistività elettrica per la calibrazione di modelli numerici di flusso non saturo in calcari fratturati.
La salvaguardia delle acque sotterranee assume un’importanza vitale a causa dello sfruttamento incontrollato delle risorse idriche e i frequenti fenomeni di contaminazione. Nel tempo,
un inadeguato monitoraggio ambientale ha portato ad un depauperamento di questa risorsa
preziosa e, conseguentemente, la crescente consapevolezza della necessità di una efficace tutela
per la corretta gestione degli acquiferi. Fra questi, gli acquiferi carsici fratturati meritano particolare attenzione perché costituiscono sistemi complessi, per la difficoltà di analisi dei fenomeni
che regolano l’infiltrazione, il flusso e il trasporto, a causa della loro estrema eterogeneità e
anisotropia. Per tali motivi è necessario un approfondimento delle conoscenze e delle ricerche di
questi sistemi, in modo da fornire un contributo importante allo sviluppo sostenibile del pianeta. Questo lavoro presenta un caso di studio che ricade in un’area dell’Alta Murgia, nel territorio
di Altamura (Ba), che è stato interessato da sversamento di fanghi non trattati derivati da impianti di trattamento di acque di scarico comunali e industriali. Tali depositi hanno causato
contaminazione del suolo con sostanze tossiche quali idrocarburi e metalli (cromo, zinco e nichel). Al fine di analizzare e studiare la velocità di flusso e l’eventuale migrazione dell’inquinante
nella zona insatura, sono state eseguite prove di campo, utilizzando un approccio multidisciplinare basato sull’esecuzione di prove infiltrometriche combinate con indagini geoelettriche. Per
la prova infiltrometrica è stato realizzato un anello in materiale plastico di diametro variabile
(circa 2 m), reso solidale con il substrato roccioso per mezzo di gesso a presa rapida. Nell’anello
infiltrometrico, parzialmente riempito di acqua, è stata misurata la riduzione del livello idrico
utilizzando un trasduttore di pressione (PTX DRUCK LDR-England). Contemporaneamente
alla prova infiltrometrica sono state eseguite misure di resistività elettrica, con un dispositivo di
tipo Wenner-Schlumberger, a 16 elettrodi distanziati di 0.5 m. Tale indagine ha consentito di
determinare la variazione nel tempo della distribuzione di resistività attraverso la modalità di
acquisizione «time-lapse». I dati sperimentali sono stati utilizzati per calibrare un modello numerico di simulazione del flusso verticale (nel piano xz) della zona vadosa del sottosuolo calcareo fratturato.
Parole chiave: Calcare fratturato, Test infiltrometrico, Flusso non saturo, Resistività elettrica,
Modello matematico.
1. INTRODUZIONE
Lo studio del flusso verticale in un sistema fratturato non saturo è basilare
per la comprensione della migrazione verticale di contaminanti in falda. Recentemente le problematiche legate al rilascio di percolati da discariche non autorizzate che possono giungere nell’acquifero profondo, hanno destato particolare attenzione in Puglia. In questa regione la piattaforma carbonatica ospita un
acquifero intensamente utilizzato per scopi potabili ed irrigui, attualmente minacciato in alcune zone dal rilascio abusivo di fanghi industriali non trattati
contenenti elevate concentrazioni di cromo, nichel, zinco ed altri metalli, oltre
che idrocarburi. In tale contesto le caratteristiche strutturali dell’ammasso roccioso nella zona non satura costituiscono un elemento particolarmente influente
per l’eventuale infiltrazione del contaminante fino alla falda. L’acquifero carbonatico nel sito di studio (Altamura - BA) si presenta fratturato e carsificato, con
140
fratture spesso aperte e in parte riempite con calcite e terra rossa che contiene
ossidi di ferro (15%) e alluminio (30%), silice (33%) e altri composti minori
(DELL’ANNA et al., 1985), entrambi prodotti della dissoluzione calcarea. Il flusso
del contaminante dipende dalle caratteristiche medie del mezzo fratturato, come
ad esempio l’apertura delle fratture e la loro frequenza ed orientazione, oltre
che dalle interazioni del fluido con la matrice rocciosa ed il suolo presente nelle
fratture.
In tale contesto, un approccio metodologico multidisciplinare risulta particolarmente efficace per una migliore comprensione dei fenomeni che governano lo studio delle caratteristiche quantitative e qualitative dell’acquifero, al fine
di una corretta politica di gestione del bene idrico. Misure infiltrometriche integrate con dati di resistività elettrica del sottosuolo hanno consentito di calibrare
un modello numerico di simulazione del flusso nonsaturo verticale (nel piano
xz) nei calcari fratturati di Altamura. Le misure geoelettriche, condotte in modalità «time-lapse», hanno consentito di verificare l’avanzamento del fronte di
umidità nel sottosuolo, misurando le variazioni di resistività fino a circa 1.5 m di
profondità.
2. AREA STUDIO
L’area studio scelta per la sperimentazione rientra nel territorio comunale di
Altamura, nell’altopiano dell’Alta Murgia in Puglia (Fig. 1).
Da un punto di vista geologico, la formazione studiata è il «Calcare di Altamura» (Fig. 2), costituita principalmente da calcilutiti di età mesozoica; essa rappresenta una parte della sequenza sedimentaria della piattaforma carbonatica (CIARANFI et al. 1988) con spessori che possono raggiungere diverse centinaia di metri.
La formazione menzionata è caratterizzata da sistemi di fratture dovute a fenomeni tettonici connessi, principalmente, alla fase di emersione della piattaforma carbonatica avvenuta in larga parte durante il Neogene. Le fratture si presentano
parzialmente occluse da bauxite e depositi di «terra rossa», segni tangibili delle
fasi di morfogenesi e pedogenesi carsica di ambiente sub-tropicale, avvenute contemporaneamente all’emersione. Sui calcari poggiano in trasgressione i depositi
plio-pleistocenici appartenenti al ciclo sedimentario della Fossa Bradanica e, sul
fondo dei solchi erosivi e delle principali depressioni carsiche, si rinvengono «depositi eluviali e colluviali». La potente sequenza sedimentaria della piattaforma
carbonatica costituisce l’acquifero profondo delle Murge, il cui livello piezometrico varia fra 400 m e 500 m di profondità dal piano campagna. L’area è stata soggetta, di recente, a sversamento di fanghi non trattati di origine industriale, ospedaliera e municipale, causando contaminazione del suolo con elementi tossici quali
idrocarburi e cromo, nichel, zinco ed altri metalli.
141
Fig. 1 - Carta geologica schematica dell’area di studio (Altamura).
Fig. 2 - Sezione geologica schematica dell’area di studio.
142
3. MATERIALI E METODI
Il monitoraggio dei processi idrologici che avvengono nella zona vadosa è
particolarmente complesso, soprattutto quando l’area di indagine è caratterizzata da litotipi rocciosi affioranti in quanto, in tal caso, è difficile adattare alle
rocce metodi e tecniche comunemente sperimentate e standardizzate per i suoli.
Per il monitoraggio dell’infiltrazione dell’acqua nel sottosuolo è stato utilizzato un approccio combinato eseguendo misure del livello di acqua nell’anello
infiltrometrico e, simultaneamente, misure della resistività elettrica nel tempo.
In ambito idrogeologico, le indagini geoelettriche sono particolarmente efficaci in quanto la resistività elettrica del sottosuolo è un parametro sensibile alla
presenza di acqua. Per tale ragione, in sistemi rocciosi, i modelli di resistività
elettrica possono rappresentare un importante strumento di monitoraggio del
cambiamento di contenuto d’acqua, in alternativa ai tradizionali dispositivi per
la misura in situ del suddetto parametro, quali ad esempio il TDR (time domain
reflectometry) e il TDT (time domain transmissivity), difficilmente applicabili
sulle rocce.
3.1 Test infiltrometrico
In letteratura l’utilizzo di test infiltrometrici per valutare le proprietà idrogeologiche dei suoli è abbastanza diffuso ma raramente tali test sono stati realizzati direttamente sulle rocce fratturate (CASTIGLIONE et al., 2005) sia per la complessità della modalità di installazione dell’apparato sperimentale sia per la difficoltà di indagare un’area sufficientemente ampia tale da essere rappresentativa
delle eterogeneità del calcare carsificato e fratturato.
Nel seguente lavoro è stato progettato, realizzato e testato un apparato infiltrometrico specifico adatto per test su roccia affiorante. Nel nostro caso, utilizzando un nastro di plastica flessibile, di altezza pari a circa 30 cm, e sigillandone le
due estremità con un nastro adesivo impermeabile, è stato realizzato un anello
infiltrometrico di diametro variabile (circa 2 m) per consentire una migliore adattabilità dell’apparato alle irregolarità del sito sperimentale. L’anello è stato sigillato al contatto con il terreno e/o roccia mediante gesso preparato in situ. Un apparato sperimentale di siffatte caratteristiche comporta una maggior probabilità di
intercettare fratture di dimensioni e ampiezza variabili presenti nell’area test, consentendo di ottenere valori di conducibilità idraulica rappresentativi alla scala delle
misure. Tuttavia, l’utilizzo di un anello di grande diametro comporta difficoltà
esecutive legate all’approntamento dell’apparato, alla sua messa in opera sulla roccia, all’impiego di una notevole quantità d’acqua per eseguire il test.
I test infiltrometrici condotti ad Altamura, sono stati eseguiti in due differenti aree, distanti fra loro circa 300 m, utilizzando due differenti dispositivi
143
sperimentali poiché le aree di indagine presentano caratteristiche visibilemente
diverse.
In particolare, nel sito 1, in cui l’area di infiltrazione presenta nella parte
centrale numerose fratture e, subordinatamente, uno strato di suolo dello spessore variabile tra 5 e 10 cm, sono stati installati due anelli concentrici, aventi
diametro pari a 2 m e 2.2 m, rispettivamente, in modo da migliorare la tenuta
idraulica durante l’infiltrazione grazie alla sigillatura con il gesso della superficie
compresa tra i due anelli (Fig. 3). Nel sito 2, che presenta un’area di infiltrazione
caratterizzata interamente da un affioramento di calcare visivamente meno fratturato del precedente, è stato installato un solo anello infiltrometrico (1.8 m di
diametro) in un solco di spessore di 2 cm circa, preventivamente scavato nella
roccia utilizzando un flessibile (Fig. 4), e sigillato con gesso. In entrambi i casi,
l’anello infiltrometrico è stato riempito con acqua avente moderata salinità
(conducibilità elettrica pari a 2,39 mS/cm) fino a raggiungere un livello di circa
13 cm.
Durante l’esperimento il livello dell’acqua nell’anello è stato monitorato utilizzando un trasduttore di pressione (PTX DRUCK LTD – England) per misurare l’abbassamento del livello idrico nel tempo; contemporaneamente sono state eseguite misure di resistività elettrica per monitorare l’infiltrazione e la ridistribuzione dell’acqua nella sottosuolo roccioso.
Fig. 3 - Sito #1. (a) calcare con fratture visibili; (b) L’anello infiltrometrico è sigillato direttamente sul suolo colando il gesso nell’intercapedine tra i due anelli.
144
Fig. 4 - Sito #2. (a) Calcare senza fratture visibili. (b) L’anello infiltrometrico installato nel solco
scavato nella roccia (profondo circa 2 cm) e sigillato con il gesso.
3.2 Metodologia geoelettrica
Il metodo geoelettrico in corrente continua si basa sul contrasto di resistività
elettrica fra i vari litotipi presenti nel sottosuolo per individuare strutture subsuperficiali (LOKE, 2000). La resistività elettrica, inverso della conducibilità, è
una proprietà intrinseca delle rocce e rappresenta la resistenza che oppongono i
materiali nel farsi attraversare dalla corrente. Tale parametro si misura in W×m e
dipende da diversi fattori quali tessitura e porosità, grado di cementazione, grado di saturazione, temperatura della roccia, contenuto argilloso, permeabilità,
temperatura e salinità della soluzione acquosa che imbibisce la formazione. Le
rocce, generalmente, non sono buone conduttrici di corrente ma sono caratterizzate da una bassa conducibilità, essenzialmente di tipo ionico, dovuta a sali
disciolti nelle acque che circolano nei pori e nelle fratture.
Per queste ragioni, il metodo di resistività è sensibile alle variazioni di circolazione di fluidi nelle rocce e può essere utilizzato come strumento di monitoraggio dell’infiltrazione e ridistribuzione dell’acqua nel sottosuolo.
Il metodo consiste nell’immettere corrente continua, per mezzo di una coppia di elettrodi di corrente, e nel misurare la differenza di potenziale ai capi di
una coppia di elettrodi di misura. Nota la corrente immessa I (A) e il potenziale
misurato DV (V), si calcola la resistività elettrica apparente, r (W×m), espressa
145
dalla seguente relazione semplificata, valida nell’ipotesi di suoli omogenei e isotropi
dove K (m) è il coefficiente geometrico che dipende dal tipo di dispositivo elettrodico utilizzato.
Comunemente l’eterogeneità e l’anisotropia presente nel sottosuolo determinano in geofisica un problema «inverso», ossia quello di ricostruire un modello significativo da un punto di vista geologico, a partire dai dati osservati e
ipotizzando opportune leggi che governano i fenomeni che li determinano.
L’indagine geoelettrica è stata eseguita disponendo gli stendimenti simmetricamente rispetto al centro dell’anello, eseguendo un singolo profilo elettrico,
nel sito 1 e due profili elettrici perpendicolari fra di loro, nel sito 2.
Per ciascun profilo sono stati impiantati 16 elettrodi distanziati di 0,5 metri,
per una lunghezza totale di 7,5 metri, utilizzando un dispositivo elettrodico di
tipo Wenner-Schlumberger (Fig. 5).
Fig. 5 - Schema di acquisizione dei profili elettrici eseguiti
utilizzando 16 elettrodi per
ciascuna direzione, equidistanziati di 0.5 metri: a) schema del dispositivo nel sito #1;
b) schema del dispositivo nel
sito #2.
La scelta di tale dispositivo consente di ottenere un ottimale compromesso
fra una buona profondità di penetrazione del segnale, una adeguata risoluzione
laterale, un efficace rapporto segnale/rumore e una buona sensitività rispetto
agli altri dispositivi elettronici comunemente utilizzati.
146
A causa della compattezza del litotipo affiorante, per l’infissione degli elettrodi è stato necessario perforare il calcare in modo da creare un buon contatto
elettrico con la roccia.
Le misure di resistività sono state eseguite con un georesistivimetro della
PASI s.r.l., modello 16SG12, impostando il massimo della corrente erogabile,
pari a 500 mA, viste le condizioni estremamente complesse in cui è stata eseguita la prova.
Per monitorare le caratteristiche elettriche del sottosuolo, sottoposto all’infiltrazione dell’acqua immessa nell’anello infiltrometrico, è stata utilizzata la tecnica di acquisizione «time-lapse», eseguendo in continuo misure di resistività
lungo i profili elettrici per circa due ore nel primo sito e tre ore nel secondo.
4. MODELLO MATEMATICO
L’equazione di governo del bilancio di massa per il flusso insaturo in un
piano di frattura
(1)
Dove il carico di suzione ψ (L) incognito, è definito dalla:
(2)
Q (L3/L3/t) nell’equazione (1) considera termini sorgenti (sink o source) che
generano una variazione di portata, come i drenaggi, pompaggi o ricariche per
unità di volume di sottosuolo. La capacità idrica specifica della frattura può
porsi G= ∂θw/∂ψ (1/L).
Per poter studiare il flusso insaturo in un piano di frattura verticale, con
l’equazione (1), è necessario fare le seguenti ipotesi:
– validità della legge generalizzata di Darcy, fornita dalla soluzione dell’equazione di Navier Stokes;
– fratture con pareti impermeabili e matrice rocciosa incomprimibile;
– fluido incomprimibile.
In una frattura verticale (xz) con apertura b (L), variabile nel piano, le componenti del flusso insaturo, u (L/t) e w (L/t) in direzione x e z, rispettivamente,
possono scriversi come (BEAR, 1993):
(3a)
147
(3b)
dove b(x,z) è il valore nodale dell’apertura nella sezione verticale studiata. Il
coefficiente di permeabilità kr(ψ) è definibile tramite il carico di suzione o contenuto idrico solo tramite le curve di ritenzione, che si suppongo note (REITSMA
& KUEPER, 1994; ABDEL-SALAM & CHRYSIKOPOULOS, 1996; BOCKGARD & NIEMI,
2002; p.789). Si può notare che le equazioni (3a-3b) possono essere invertite per
ricavare una valore di apertura media del generico piano di frattura verticale
utilizzando il flusso medio verticale determinato con la prova infiltrometrica.
Risolvendo le equazioni (1-3), in ogni nodo del dominio computazionale, si
giunge ad un sistema di equazioni la cui soluzione può essere ottenuta solo dopo
avere imposto opportune condizioni al contorno e iniziali, in termini di distribuzione del contenuto idrico o del carico di suzione. Quest’ultimo, durante il
movimento verticale del fluido, assume lungo il fronte di avanzamento un valore
che è funzione sia della tensione superficiale aria-acqua σ (M/t2) (=71.97 dyn/
cm at 25°C) (DE GENNES et al., 2002) sia dell’apertura della frattura. In particolare, il carico di suzione al fronte di avanzamento può essere espresso tramite
l’equazione di Young-Laplace (PRUESS & TSANG, 1990) come,
(4)
dove l’apertura bc definisce la porzione del piano occupata dalla fase non-bagnante (aria). Una descrizione semplificata del movimento verticale dell’acqua è
anche descritta dall’equazione di Green-Ampt (BEAR, 1972; p. 514), che assume
costante il carico di suzione al fronte di avanzamento nel piano verticale. L’approssimazione di Green-Ampt è stata utilizzata da alcuni autori (REYNOLDS et
al., 2002) per ottenere un fattore di correzione della conducibilità idraulica ricavata da prove infiltrometriche (REYNOLDS & ELRICK, 1990).
Il codice numerico che implementa le Equazioni (1-3) è stato validato con
successo in un precedente lavoro (MASCIOPINTO & BENEDINI, 1999) mediante
una comparazione dei risultati ottenuti con un differente modello descritto da
ABDEL-SALAM & CHRYSIKOPOULOS (1996), per la simulazione di flussi verticali
insaturi in fratture piane con apertura variabile. Ad Altamura, lo stesso modello
è stato applicato per studiare il flusso verticale in una sezione dell’affioramento
calcareo, larga 4 m e profonda 2 m. L’apertura media è stata calibrata in funzione del flusso di infiltrazione quasi saturo ricavato dalle prove infiltrometriche
eseguite in situ in funzione della profondità massima di infiltrazione rilevata
dall’analisi time-laps delle immagini di resistività elettrica. Anche l’altezza capillare e l’apertura bc sono stati determinati in modo da ottenere soluzioni numeriche che riproducano le massime profondità di infiltrazione visualizzate con le
immagini di resistività elettrica alla fine dei test.
148
Figura 6. Livello di acqua misurata durante i test nel sito #1 e sito #2.
4.1 Simulazione di flusso verticale
L’apertura media per generare i valori nodali in un generico piano verticale
può essere determinata invertendo le Equazioni (3a-3b), dopo aver imposto un
flusso per unità di superficie q (L/t) che è stato stimato di 1.23 m/d durante il
test eseguito nel sito #1 e pari a 0.21 m/d durante il test eseguito nel sito #2. Alla
sommità del suolo (z=0), per la saturazione (ψ=0), si può porre ∂ψ/∂×=∂ψ/∂z=0
e kr(0)=1, e conseguentemente può essere definito:
(5)
Poiché per valori di z>0 il flusso verticale coinvolge zone insature del sottosuolo, la portata specifica di infiltrazione q non può essere costante nel tempo,
anche imponendo un carico piezometrico costante in sommità, in quanto il suo
valore varia in funzione della saturazione nel tempo del volume di sottosuolo
interessato dall’infiltrazione. Per considerare tale effetto, il valore dell’apertura
media ricavabile dall’Equazione (5), è stato modificato utilizzando un fattore di
correzione di Ks proposto da REYNOLDS & HELRICH (1990), risultato pari a 0.371
nel primo sito e 0.348 nel secondo. Infatti, la stima del carico di suzione al fronte
di avanzamento (ψf =0.90 e 0.95 m, per il 1° e 2° sito) e dell’apertura bc (16.5 and
149
Fig. 7. Sito 1. Confronto fra profili di resistività elettrica (a) e risultati del modello matematico
(b) finalizzato alla calibrazione dei parametri della curva di ritenzione.
15.5 mm), consentono di ottenere valori di conducibilità idraulica a saturazione
pari a 0.46±0.001 e 0.070.002 m/d nell 1° e 2° sito, rispettivamente. Questi valori
sono simili a quelli (0.6 m/d e 0.02 m/d) ricavabili da studi sperimentali eseguiti
in laboratorio su campioni di calcare di Altamura fratturati (QUARTO & SCHIAVONE, 1994) e sulla sua matrice rocciosa (BORGIA et al., 2002), rispettivamente.
In base ai valori medi di apertura calcolati dalle equazioni (3a)-(3b) e riportati
in Tab. 1, sono state generate le aperture nel piano di frattura verticale utilizzando
un modello stocastico di tipo esponenziale per la variazione nodale delle stesse
(MASCIOPINTO & BENEDINI, 1999). Il reticolo computazionale di riferimento ha
utilizzato un passo di discretizzazione Dx=Dz=0.25 m (153 nodi). All’istante iniziale (a t=0) è stato assegnata una distribuzione di potenziale idrico corrispondente ad una condizione semi-arida della frattura, con valori compresi fra -1 m sul
fondo e +0.13 m alla superficie del suolo (contorno superiore), in corrispondenza
dell’anello infiltrometrico. Inoltre ai contorni laterali e inferiore del piano di frattura studiato è stato imposta la condizione di contorno impermeabile.
150
Fig. 8. Sito 2. Confronto fra profili di resistività elettrica in direzione Nord-Sud (a) e Est-Ovest
(b) e risultati del modello matematico (c) finalizzato alla calibrazione dei parametri della curva
di ritenzione.
Parametro
Media delle aperture (mm)
Dev. Standard Log aperture
Nugget
Sill
Lunghezza di correlazione spaziale (m)
sito #1
x
1600
0.349
0.02
0.1
3
Sito #2
z
2000
0.349
0.02
0.1
2
x
500
0.349
0.02
0.1
3
z
800
0.349
0.02
0.1
2
Curva di ritenzione (BOCKGARD & NIEMI, 2002)
θr
θs
α
n
bc (µm)
0.0094
0.99
1.11
2.8
16.5
0.0094
0.99
1.05
2.6
16.5
Tab. 1. - Parametri utilizzati per la riproduzione delle aperture nel piano verticale (xz) e per la
curva di ritenzione.
I parametri delle curve di ritenzione idrica, vale a dire i parametri dell’equazione di VAN GENUCHTEN, sono stati desunti dalla letteratura (ABDEL-SALAM &
CHRYSIKOPOULOS, 1996; REITSMA & KUEPER, 1994; BOCKGARD & NIEMI, 2002).
151
I risultati ottenuti con il codice di calcolo sono stati riportati nelle Figure 7
and 8 e mostrano un differente comportamento durante i test nei due siti. La
rappresentazione del carico piezometrico dopo 2-3 ore di infiltrazione nel piano
di frattura verticale mostra un significativo effetto fingering, in seguito all’anisotropia imposta nella generazione dei valori delle aperture della frattura. Questo
effetto sembra essere maggiore per le fratture altamente conduttive come quella
del test nel sito #1.
5. RISULTATI
I risultati dei due test infiltrometrici eseguiti nel sito #1 e #2, riassunti nella
Fig. 6, evidenziano una costante diminuzione del livello di acqua negli anelli durante i test. La pendenza della linea di tendenza riferita ai due siti sperimentali
fornisce il valore medio della velocità di infiltrazione pari a 1.33±0.0034 md-1 per
il sito #1 e 0.22±0.0027 md-1 per il sito #2, dove i valori di deviazione standard
tengono conto degli errori standard nelle procedure di best fit. I valori riportati
includono le perdite di acqua, dovute alla risalita dell’acqua infiltrata, stimate pari
a circa 0.1 m/d e 0.007 m/d per il sito #1 e #2, rispettivamente. Tali valori sono
stati calcolati considerando l’estensione della superficie inumidita intorno all’anello
alla fine del test (1.6 m2 e 1.5 m2 per il sito #1 e #2, rispettivamente) il suo spessore
medio (5 cm e 3 cm), misurato eseguendo carotaggi in situ e la porosità (0.29 e
0.03) ricavata dalla letteratura (GRASSI et al., 1975; BORGIA et al., 2002).
Per quanto concerne l’interpretazione dei risultati sperimentali legati alle
indagini geoelettriche, il primo passo per l’elaborazione dei profili di resistività
è consistito nella ricostruzione della pseudosezione di resistività apparente, una
rappresentazione grafica approssimata della distribuzione di resistività che fornisce un’interpretazione qualitativa del modello fisico del sottosuolo.
Nella pseudosezione ogni punto misura è attribuito ad un punto nel sottosuolo la cui posizione orizzontale è al centro del quadripolo utilizzato, mentre la
posizione verticale rappresenta la profondità media di investigazione o pseudoprofondità (EDWARDS, 1977).
Per ottenere un modello di resistività reale del sottosuolo è necessario eseguire un processo di inversione dei dati sperimentali.
Utilizzando il software commerciale RES2DINV (LOKE & BARKER, 1996)
sono stati ricavati modelli bidimensionali di resistività del sottosuolo. A partire
dal modello sperimentale (pseudosezione di resistività apparente), il software di
elaborazione genera un modello teorico suddividendo il sottosuolo in un numero di blocchi rettangolari e calcolando la resistività media per ciascun blocco.
Utilizzando l’algoritmo di inversione basato sul metodo dei minimi quadrati
(DEGROOT-HEDLIN & CONSTABLE, 1990; SASAKI, 1992) e per successive iterazioni
152
si determina il best fit fra modello sperimentale e modello calcolato per ricavare
un modello attendibile di resistività reale del sottosuolo.
È bene considerare che in geofisica il modello ricavato dall’inversione è limitato dal noto problema di equivalenza, legato alla non univocità fra dati sperimentali e modello fisico ricavato. Per ridurre l’univocità delle soluzioni è necessario considerare condizioni a contorno legate alle conoscenze del problema da
ricercare.
Per ciascun profilo eseguito, utilizzando il software commerciale RES2DINV,
è stato ricavato un modello quantitativo della distribuzione di resistività nel sottosuolo.
Per quanto riguarda il test del sito #2, l’infiltrazione di acqua salmastra nei
calcari affioranti ha determinato un forte contrasto di resistività al di sotto dell’anomalia di conducibilità, alterando la risposta quantitativa del modello. Tale
problema, non rilevato per il test del sito #1 per effetto della maggiore permeabilità dei calcari affioranti, risulta abbastanza diffuso e merita un’ulteriore approfondimento al fine di ottimizzare la modellizzazione.
Per entrambe le prove di campo e i profili eseguiti sono state elaborate le
sezioni di resistività relative a dieci acquisizioni successive.
Nelle figure 7 e 8 allegate sono evidenziate le sezioni elaborate relative a tre
distinti istanti di tempo, sia per il sito #1 che per il sito #2.
Per il sito #1, i modelli di resistività bidimensionali evidenziano la presenza
di tre elettro-strutture:
– struttura a bassa resistività, che raggiunge valori fino a 200 Ωm, associabile
alla presenza del calcare fratturato influenzato dall’acqua infiltrata;
– struttura a resistività medio-alta, con range compreso fra 200 Ωm e 4000 Ωm,
attribuibile al calcare fratturato non influenzato dall’acqua d’infiltrazione;
– struttura a elevata resistività, con valori maggiori di 4000 Ωm, riferibile a
calcare più compatto.
L’analisi time-lapse delle immagini relative a diversi istanti di tempo evidenzia un approfondimento dell’anomalia di bassa resistività, attribuibile all’avanzamento del fronte umido dell’acqua di infiltrazione.
Anche per quanto concerne il sito #2, l’elaborazione delle misure di resistività elettrica evidenzia la presenza di tre elettro-strutture:
– struttura a bassa resistività, fino a 100 Ωm;
– struttura a resistività medio-alta, da 100 Ωm a 700 Ωm;
– struttura a elevata resistività, maggiore di 700 Ωm.
Il modello geofisico e la relativa correlazione con il modello geologico del sito
#2 sono analoghi a quelli del sito #1 ma con valori di resistività decisamente più
bassi, probabilmente in quanto le indagini del sito #2 sono state eseguite nel periodo di ottobre, in condizioni climatiche decisamente più umide e fredde rispetto a
quelle dell’altro sito, svolte, invece, in luglio con temperature piuttosto elevate.
153
L’analisi time-lapse per il sito #2 evidenzia un grado di approfondimento
dell’acqua di infiltrazione molto più basso, confermando le considerazioni legate al diverso stato di fratturazione del calcare affiorante.
6. CONCLUSIONI
L’area studio di Altamura è stata interessata da fenomeni di contaminazione
del suolo per effetto dello sversamento di fanghi non trattati di origine industriale e domestico. Lo studio è stato finalizzato ad una migliore conoscenza del
flusso non saturo allo scopo di investigare la migrazione verticale degli inquinanti e la vulnerabilità dell’acquifero profondo, caratterizzato da calcare carsificato e fratturato.
L’anisotropia ed eterogeneità dell’acquifero analizzato richiedono un’accurata conoscenza del comportamento di questi sistemi idrogeologici, principalmente per lo sviluppo di una politica sostenibile della risorsa idrica.
A tal proposito, l’applicazione di metodologie integrate basate su differenti
approcci (test infiltrometrici e misure di resistività elettrica) possono consentire
di ricavare una modellizzazione numerica più accurata delle proprietà idrogeologiche del sottosuolo calcareo fratturato.
È stato utilizzato un apparato sperimentale consistente in un anello infiltrometrico installato direttamente sul calcare affiorante mediante procedure non
standardizzate. L’efficacia delle misure infiltrometriche è stata supportata da
indagini geoelettriche che hanno evidenziato l’approfondimento del fronte umido
nel sottosuolo durante il test di infiltrazione. I test condotti hanno consentito di
calibrare un codice di calcolo in grado di modellizzare il flusso non saturo lungo
un piano di fratture verticali avente matrice impermeabile.
La congruenza fra i risultati delle simulazioni numeriche e quelli delle prove
sperimentali è stata verificata mediante un confronto con i dati di permeabilità
disponibili in letteratura per la stessa formazione.
I risultati ottenuti incoraggiano gli autori ad indirizzare gli studi futuri sull’individuazione di relazioni sperimentali fra il contenuto d’acqua delle rocce
fratturate e il parametro di resistività elettrica.
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