impiego di misure infiltrometriche e di resistività elettrica per la
Transcript
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. 139 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. BIBLIOGRAFIA ABDEL-SALAM A. & CHRYSIKOPOULOS V.C., 1996 - Unsaturated flow in a quasi threedimensional fractured medium with spatially variable aperture. Water Resource Research 32: 1531-1540. BEAR J. 1972 - Dynamics of fluids in porous media. American Elsevier publishing Company, INC. New York, pp. 119-360; 500-550. 154 BEAR J. 1993 - Modeling flow and contaminant transport in fractured rocks. Chapter 1 in Flow and Contaminant Transport in Fractured Rock. Ed.by J.Bear, C.F.Tsang and G. de Marsily, Academic Press, San Diego, California, 67-272. BOCKGARD N. & NIEMI A., 2002 - Role of Rock Heterogeneity on lateral diversion of water flow at the soil-rock interface. Soil Science Society American Journal, 66:19471956. Publisched in Vadose Zone Journal, 3: 786-794 (2004). BORGIA, G.C., BORTOLOTTI, V. & MASCIOPINTO C., 2002 - Valutazione del contributo della porosità effettiva alla trasmissività di acquiferi fratturati con tecniche di laboratorio e di campo. IGEA, Groundwater Geo-engineering, 17: 31-43. CASTIGLIONE P., SHOUSE P.J., MOHANTY B., HUDSON D. & VAN GENUCTHEN M.TH., 2005 - Improved Tension Infiltrometer for Measuring Low Flow Rates in Unsaturated Fractured Rock. Vadose Zone Journal, 4: 885-890. CIARANFI N., PIERI P. & RICCHETTI G., 1988 - Note alla Carta Geologica delle Murge e del Salento (Puglia Centro meridionale). Memorie Società Geologica Italiana, 41: 449-460. DE GENNES P.-G., BROCHARD-WYART F. & QUERE D., 2002 - Capillary and Wetting Phenomena - Drops, Bubbles, Pearls, Waves. Springer. ISBN 0-387-00592-7. DEGROOT-HEDLIN, C. &. CONSTABLE S., 1990 - Occam’s inversion to generate smooth, twodimensionalmodels form magnetotelluric data. Geophysics, 55: 1613-1624. DELL’ANNA L., FIORE S. & LAVIANO R., 1985 - The mineralogical, chemical and grainsize features of some clay deposits from terra rossa d’Otranto (Puglia, Southern Italy), Geologia Applicata e Idrogeologia, 20: 110-123. EDWARDS, 1977 - A modified pseudosection for resistivity and IP. Geophysics, 42, 5: 1020-1036 GRASSI D., ROMANAZZI L. & SPILOTRO G., 1975 - Caratteristiche geotecniche delle terre rosse della Puglia in relazione alla composizione chimico-mineralogica ed ai diversi tipi di depositi. Geologia Applicata e Idrogeologia, 10: 309-337. KUMAR P., 2004 - Layer averaged Richard’s equation with lateral flow. Advances in Water Resources, 27: 521-531. LOKE M.H., & BARKER R.D., 1996 - Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections using a quasi-Newton method. Geophysical Prospecting, 44: 131152. LOKE M.H., 2000 - Electrical imaging surveys for environmental and engineering studies: A practical guide to 2-D and 3-D surveys [Online]. Available at www.agiusa.com (modified 30 July 2002; verified 6 Sept. 2002). Advanced Geosciences, Austin, TX. MASCIOPINTO C. & BENEDINI, M. 1999 - Unsaturated flow in fractures with anisotropic variable apertures. In Proc. XXVIII IAHR - AIRH Congress, 23-27 August, Graz, Austria. PRUESS K. & TSANG Y.W., 1990 - On two-phase relative permeability and capillary pressure of rough-walled rock fractures. Water Resource Research, 26: 195-1926. QUARTO R. & SCHIAVONE D., 1994 - Hydrogeological implications of the resistivity di- 155 stribution inferred from electrical prospecting data from the Apulian carbonate platform. Journal of Hydrology, 154: 219-244. REITSMA S. & KUEPER B.H., 1994 - Laboratory measurement of capillary pressure-saturation relationships in a rock fracture. Water Resources Research, 30: 865-878. REYNOLDS W.D. & ELRICK D.E., 1990 - Ponded infiltration from a single ring: I. Analysis of steady flow. Soil Science Society American Journal, 54: 1233-1241. REYNOLDS W.D., ELRICK, D.E. & YOUNGS E.G., 2002 - Ring or Cylinder Infiltrometers (Vadose Zone). p. 818-826. In DANE J.K. & TOPP G.C. (eds.) - Method of Soil Analisys. Part 4. N. 5.SSSA, Madison, WI. SASAKI Y., 1992 - Resolution of resistivity tomography inferred from numerical simulation. Geophysical Prospecting, 40: 453-464. 156