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http://www.earthdrx.org/tableofcontents.html
Earth Dr. - Ground Water
L'acqua e` il principale agente nella formazione delle grotte,
e l'idrogeologia carsica, cioe` lo studio dei flussi carsici,
ha un ruolo primario nello studio delle grotte.
Si definisce
flusso carsico
un sistema di circolazione di flusso cartterizzato da sviluppo proprio e
autoorganizzazione per la capacita` di mobilitare e trasportare materiale
di dissoluzione della roccia costituente.
Diamo ancora un paio di definizioni. Idrostruttura e` un insieme di piu` unita` o formazioni geologiche aventi una sostanziale unita` spaziale e giaciturale, visti nel loro assetto geometrico attuale, ove si verifichino le condizioni oer il deflusso e l'accumulo di acque sotterranee sotto l'azione di gradienti di pressione. All'interno di una idrostruttura possono essere identificati uno o piu` sistemi acquiferi, indipendenti o interdipendenti. L'acquifero e` un insieme a livello del quale i deflussi sotterranei si organizzano a costituire una unita` di drenaggio che alimenta una o piu` sorgenti interconnesse.
Dissoluzione e ablazione
La velocita` della dissoluzione carsica (detta anche impropriamente
erosione carsica)
(tasso di ablazione)
viene misurata in m3 per km2 all'anno.
o equivalentemente in millimitri per migliaia d'anni, mm/ka,
o ancora in micrometri per anno, um/a.
La dissoluzione, D dipende dalla quantita` di acqua
che attraversa il sistema carsico e da quanto minerale viene disciolto
(cioe` dalla durezza)
dove A e` l'area dalla regione (in km2), N rappresenta la frazione di rocce calcaree, d e` la densita` del calcare (circa 2.5 gr/cm3), to e` l'intervallo di tempo (in anni). Il flusso idrico Q e` espresso in m3/sec, e la durezza H in gr/cm3. It tempo di integrazione viene espresso in secondi.
Questa formula non e` di immediata applicabilita` a causa delle molte variabili presenti, e di cui e` difficile avere dati sufficienti. Una approssimazione molto cruda e la formula di Corbel,
Dove P (in dm/a) rappresenta la precipitazione d'acqua nella regione in un anno (P = Q/(A to), e H (in mg/l) e` la durezza media. Le semplificazioni in questa formula sono la mancanza del fattore N, e la riduzione del flusso d'acqua dovuto alla evapotraspirazione, E. Piu` accuratamente si puo` scrivere
Il valore di H puo` essere espresso in termini della concentrazione di Ca2+, che all'uscita dal sistema e` pressoche` a valori di equilibrio, e quindi, tramite le costanti di equilibrio chimico e il valore della pressione di CO2 (v. App. 7.B), H = 105 [Ca2+]. Quindi si ottine
Questa espressione e` in discreto accordo coi dati sperimentali, specialmente per le regioni temperate. Valori tipici di D/(P-E) sono 5-6 10-5. La dissoluzione dipende linearmente dalla precipitazione (meno evapotraspirazione). Al variare della temperatura da 5 a 25oC i valori della dissoluzione decrescono di circa il 30%, a causa della dipendenza delle costanti di equilibrio dalla temperatura. La pressione di CO2 varia da 0.00035 atm nell'aria a 0.03-0.1 atm nei suoli; questo si traduce in un fattore 5 nel valore della dissoluzione.
Acquiferi carsici
Dal punto di vista del bilancio idrogeologico, si parla propriamente
di acquiferi carsici.
Essi sono caratterizzati da
L'impluvio di una sorgente e` l'area topografica ove i ruscellamenti convergono verso la sorgente (seguendo le linee di maggior pendenza). Il bacino d'alimentazione (o bacino imbrifero) di una sorgente comprende anche i flussi sotterranei, e puo` variare a seconda del regime (piena o morbida) delle acque. I limiti del bacino di alimentazione possono essere definiti attraverso uno studio geologico e geomorfologico di dettaglio complementato con analisi geochimiche delle acque (per valutarne la compatibilita` coi litotipi) e test con traccianti.
Le caratteristiche idrodinamiche e la capacita` di accumulo dipendono dalla geomorfologia del sistema carsico e sono determinate dai seguenti fattori morfologici:
L'acqua puo` entrare in un sistema carsico attraverso tre vie:
Coefficiente di
infiltrazione
Il coefficiente di infiltrazione, CI,
e` la percentuale di acqua piovana
che entra nel sistema carsico.
Esso e` dunque il rapporto fra le precipitazioni e l'infiltrazione.
Fattori che influenzano il coefficiente di infiltrazione sono
Il coefficiente di infiltrazione dipende dalle precipitazioni e varia da zona a zona. Nelle nostre regioni le precipitazioni sono circa 1000 - 1500 mm/anno, l'evaporazione (nelle aree carsiche) 400 - 600 mm/anno, l'infiltrazione 600 - 900 mm/anno, per cui il coefficiente di infiltrazione e` circa 0.6. Nelle regioni mediterranee scende a valori 0.2 o anche inferiori. In alta montagna puo` arrivare a 0.7 (e oltre). [FIXME: per il carso si puo` prendere 0.8-1.0]. L'intensita` di una precipitazione e` legata alla sua durata. Su zone ristrette (pochi Km2) i mm di acqua della precipitazione sono proporzionali alla radice quadrata della durata, t0.5. Su vaste aree sono proporzionali a t0.33.
Evapotraspirazione
L'
evapotraspirazione
puo' essere stimata con la formula di
Turc,
dove P e' la piovosita' media annua, in mm, ed L e' una funzione della termperatura T (in oC), L = 300 + 25 T + 0.05 T3. Come detto sopra, un valore tipico della evapotraspirazione nelle zone prealpine E = 0.3 P.
Per una stime della evapotraspirazione che tiene conto delle differenze stagionali si puo' utilizzara le formula di Thorthwaite che esprime la evapotraspirazione mensile (m indica in mese),
done Tm e' la temperatura media mensile (oppure 0 se questa e' inferiore a 0oC), espressa in gradi centigradi; Te = Sum[ (Tm/5)1.514 ] dove la somma e' sui dodici mesi; a e' una funzione di Te:
Infine km e' un fattore di correzione climatica che dipende dal mese:
| Gen | Feb | Mar | Apr | Mag | Giu | Lug | Ago | Set | Ott | Nov | Dic | |
| km | 0.79 | 0.80 | 1.02 | 1.13 | 1.29 | 1.30 | 1.32 | 1.22 | 1.04 | 0.94 | 0.79 | 0.74 |
E` importante misurare la quantita` di acqua che entra nel sistema carsico. A tal fine si misura la quantita` di precipitazione, P, (in mm/km2) con pluviometri. Per la neve 1 cm di neve fresca corrisponde a circa 1.18 mm di acqua. Pero` e` meglio ricorrere alle misurazioni pubblicate nei bollettini meteorologici pluviometrici, soprattutto poiche` in tal modo si hanno a disposizione dati accurati relativi a molti anni. La loro limitazione e` che possono non coprire l'area di interesse, e quindi si deve estrapolare i dati.
Per stimare le precipitazioni su un bacino, se si dispone di poche misure
si puo` ricorrere alla suddivisione dell'area in zone (poligoni di
Thysen/Voronoi)
in base alla vicinanza dei punti di osservazione
(il poligono di un punto di osservazione consiste dei punti piu` vicini
ad esso che ad ogni altro punto di osservazione).
La precipitazione totale e` data sommando i prodotti delle misure
osservate per le area dei poligoni.
Questo metodo non e` adeguato per terreni con rilievo accentuato;
in tal caso si tracciano le isoiete (curve di pari precipitazione),
tenendo conto che la precipitazione aumenta con la quota, percio`
occorre stimare anche il gradiente altimetrico di questa.
Tipicamente
il gradiente pluviometrico e` dell'ordine di 70 mm per 100 m.
La precipitazione efficace e` ottenuta sottraendo l'evapotraspirazione,
Pe = P - E.
La quantita` di acqua che entra nel sistema, cioe` l'infiltrazione,
e` ottenuta motiplicando per il coefficiente di infiltrazione, e per l'area
Q = A Pe CI.
Corrivazione
Il tempo di transito dell'acqua in un acquifero e` il rapporto fra
la quantita` di acqua che attraversa l'acquifero e quella immagazzinata
in esso. La prima e` il volume di acqua infiltrata,
CI P A (mm km2/anno).
La seconda e` data dal prodotto della porosita` per il volume dell'acquifero,
p V (km3).
Il tempo di corrivazione e' il tempo che impiegano le acque raccolte nel bacino ad arrivare alla sorgente. Una stima e' data dalla formula di Giandotti
dove S e' l'area del bacino di alimentazione (in Km2), L e' la distanza massima persorsa dalle acque (in Km), e H e' la quota media del bacino rispetto alla sorgente (in m).
Dal punto di vista idrogeologico in
un acquifero carsico
si riconoscono le seguenti zone:
La zona superficiale (epicarso) e` caratterizzata da molte frattture e piccole cavita' di dissoluzione. Essa contiene una notevole quantita` d'acqua che evaporando per il contatto con l'ambiente esterno risulta ricca di sali.
Portata delle sorgenti.
Il secondo importante fattore e` la quantita` di acqua che esce dal sistema
carsico, cioe` la portata media annuale
delle sorgenti. La stima delle portate e` fondamentali per analisi
idrogeologiche. Sovente e` sufficiente
stimare la portata con precisioni del 10-20% (a seconda delle condizioni).
Il modo piu` accurato per misurare la portata consiste nel misurare il tempo che impiega a riempire un contenitore di volume noto (secchiello, bidone). Questo va bene solo per portate piccole (fino ad alcuni litri/sec) e facilmente accessibili. Come per tutte le nisurazioni, occorre ripetere le misure piu` volte al fine di ridurre l'errore statistico.
Un altro modo per valutare la portata di un corso d'acqua consiste nella misura della velocita' V di un mezzo trasportato dalla corrente, e dalla sezione S. Va bene per flussi regolari e grossi (da 100 l/sec fino ad alcuni m3/sec). Occorre fare la misura in un tratto del condotto in cui il flusso e` regolare. Si stima la sezione con misure con un metro lineare. Si stima la velocita` misurando il tempo di transito fra due punti di un mezzo in sospensione (segatura bagnata) o un galleggiante lasciato al centro della corrente.
Il fattore c e` un fattore correttivo per tener conto che la velocita` non e` uniforme, ma e` massima al centro. Varia tra 0.4 per flussi turbolenti, e 0.8 per flussi regolari. Ci sono anche apparecchiature per la misura precisa della velocita` in vari punti della sezione; queste permettono di ottenere risultati piu` precisi. E` bene ripetere la misura piu` volte e almeno in due o tratti distinti del flusso.
Un terzo metodo consiste nel misurare la variazione temporale della conducibilita` elettrica dell'acqua dopo aver immesso del sale (NaCl). Questo metodo e` adeguato per portate fino a qualche m3/sec e turbolenti. Dato che la conducibilita` K (misurata in microSiemens per cm) e` legata alla concentrazione C (in mgr per litro) dalla relazione C = 0.48 K , si ricava la portata come
dove M e` la quantita` di sale immessa, t e` il tempo medio di transito, e C e` la concentrazione media. Bisogna tener in considerazione vari fattori:
Per misurazioni precise e ripetute della portata occorre usare dei
tramezzi (o stramazzi).
Si tratta di barriere con un taglio rettangolare o triangolare in mezzo.
Viene interposto un tramezzo sul corso d'acqua e in base all'altezza del
flusso sul taglio si valuta la portata con semplici formule.
Gli stramazzi possono essere abbinati a strumenti di misurazione automatici
del livello dell'acqua in continuo, che permettono di ottenere
l'andamento temporale della portata.
Nel posizionare uno stramazzo occorre prestare attenzione che
Nella letteratura tecnica ci sono molte formule piu` o meno empiriche per valutare la portata con svariati tipi di stramazzo. Qui consideriamo i due piu` semplici stramazzi: quello ad apertura rettangolare e quello triangolare. La velocita' del getto, trascurando le perdite e` data dal teorema di Bernoulli,
dove vo e` la velocita` dell'acqua in superficie a monte dello stramazzo. Se questa e` praticamente trascurabile (per esempio quando la sezione del getto d'acqua e` 1/7 o meno di quella occupata dall'acqua), la portata dello stramazzo vale
dove co = 2 c / 3 e c e` il coefficiente di efflusso (vale circa 0.61). Se lo stramazzo e` in parete grossa di spessore S, il coefficiente co deve essere moltiplicato per (0.7 + 0.185 h/s). Se lo spigolo e` molto arrotondato co diventa circa 0.38.
La portata dello stramazzo rettangolare di larghezza L, con una altezza h di flusso, risulta
dove si e` tenuto conto della contrazione del flusso che esce dallo stramazzo togliendo 0.2 h alla larghezza.
Per uno stramazzo triangolare di semiapertura angolare a la formula della portata e`
Quando la velocita` del flusso a monte vo e` trascurabile (con grandi stramazzi), queste formule si scrivono
Trasferimento di acqua
Il trasferimento nell'acquifero avviene per
| Roccia | Porosita` (percentuale) |
| Ghiaia | 20 (fine) 30 (grossa) |
| Sabbia | 5 (fine) 15 (grossa) |
| Calcare | 3 - 7, 10 (fessurato) |
| Scisti | 1 |
| Tufi | 20 |
| Marmi | 10 - 12 |
| Depositi alluvionali | 10 |
Per molti acquiferi carsici la porosita` e` praticamente uguale al coefficiente di immagazzinamento che e` data dal rapporto fra volume di acqua e il volume della roccia occupata. Il coefficiente di immagazzinamento viene misurato estraendo un cilindro ("carota", di volume V) da una zone di roccia (di area A); l'acqua viene espulsa dalla roccia a riempire il volume liberato per riequilibrare la pressione idrostatica. Misurando l'abbassamento, H, del livello piezometrico si ottiene il coefficiente di immagazzinamento, CI = V / A H
Una altra importante proprieta` degli acquiferi e` la permeabilita`, cioe` la possibilita` di lasciar scorrere l'acqua. Essa e` funzione del quadrato del diametro dei granuli che compongono il terreno o la roccia. Al di sotto di un certo diametro (per esempio sabbie inferiori a 10 micron) la permeabilita` e` nulla e la roccia e` impermeabile. Per la roccia compatta il coefficiente di permeabilita` esprime il rapporto fra il flusso di acqua, Q/A, e la pressione, P, necessaria per sostenerlo, (legge di Devey [FIXME: o di Darcy]; la pressione P e` proporzionale all'altezza H della colonna d'acqua, detta carico idraulico)
(L denota lo spessore della roccia). In realta` la permeabilita` dipende, come la portata, dalla viscosita` del fluido (la viscosita` dell'acqua a 0oC e` quasi il doppio che a 20oC: la viscosita` dinamica a zero gradi vale 1.83 10-4 Kg sec/m2, a venti gradi vale 1.02 10-4 Kg sec/m2). La trasmissivita` e` il prodotto della permeabilita` per la profondita`. Tuttavia essa e` un concetto idoneo solo per rocce omogenee, mentre nelle rocce carsiche predomina l'anisotropia: le frattture e le gallerie sono orientate predominantemente in un modo preciso, oltre alla rilevanza della stratificazione.
Per sistemi filtranti (riempimenti) questa relazione e` valida per velocita` inferiori a 0.3 cm/sec, cioe` finche` il movimento e` senza tturbolenza. Nelle sabbie la permeabilita` dipende molto dal grado di purezza; basta una piccola aggiunta di argilla per diminuire molto la permeabilita`.
| Roccia | Permeabilita` L (m/sec) |
| Sabbia e ghiaietto | 0.00020 - 0.01000 |
| Sabbia grossa (diam. 0.6 - 0.8 mm) | 0.00070 - 0.00120 |
| Sabbia media (diam. 0.4 - 0.5 mm) | 0.00030 - 0.00045 |
| Sabbia fine (diam. 0.1 - 0.2 mm) | 0.00002 - 0.00007 |
| Sabbie argillose | 10-8 - 10-5 |
| Argille | 10-10 - 10-7 |
Negli acquiferi carsici il trasferimento dell'acqua non segue le legge di
Devey. Entrano in giuoco i condotti (gallerie, allargate dalle
dissoluzione) in cui l'acqua circola facilmente (con velocita`
anche di metri al secondo: nella zona di trasferimento verticale
le velocita` tipiche sono di 0.3 m/sec; nella falda allagata scendono a
3 cm/sec),
e le frattture in cui l'acqua
circola un poco meno facilmente (con velocita` dell'ordine di mm/sec),
e che costituiscono il deposito d'acqua del massiccio.
I grandi condotti drenano l'acqua verso le risorgenze.
La zone di trasferimento di un acquifero viene descritta con un modello
a blocchi e condotti. Nei blocchi l'acqua scorre lentamente,
attraverso microfratture e resta facilmente immagazzinata.
Nei condotti l'acqua scorre velocemente e non resta
immagazzinata se non quando sono allagati.
A seconda del regime, di piena o di magra si ha un travaso fra condotti e blocchi o viceversa.
Nei periodi di piena l'acqua diffonde dai condotti nelle fratture. Nei periodi di magra l'acqua viene rilasciata dalle fratture verso i condotti. Ulteriori fattori che influenzano il trasporto dell'acqua attraverso il sistema carsico, sono la quantita` dei depositi di decalcificazione/erosione, che hanno un effetto filtrante e regolatore del flusso, e la presenza della copertura vegetale, che ha un effetto tampone sulle precipitazioni atmosferiche.
Il regime delle acque alterna periodi di magra a piene violente e brevi (autummo), o piu` lunghe e durature (inverno). L'idrogramma delle piene descrive l'andamento nel tempo delle caratteristiche dei flussi alle sorgenti. Si riferiscono sia alla portata, che a caratteristiche fisico-chimiche (temperatura, mineralizzazione, acidita`, etc.). Forniscono importanti informazioni sulla tipologia del sistema carsico e del bacino di assorbimento. Sono caratterizzati da una curva di incremento, seguita da un colmo, e da una curva di svuotamento, quest'ultima suddivisa in una curva di decremento breve, e una di esaurimento lunga. L'andamento delle piene dipende da
Le piene hanno un veloce instaurarsi (da decine di minuti ad poche ore) seguito da una curva di esaurimento piu` regolare. All'inizio arriva alla risorgenza l'acqua che era immagazzinata nell'acquifero (effetto pistone), limpida e con caratteristiche termiche e chimiche differenti dall'acqua piovana. In seguito arrivano acque piu` torbide, dovute al sopraggiungere dell'acqua piovana.
Idealmente la portata decresce esponenzialmente col tempo poiche`
la forza che spinge il flusso d'acqua alla risorgenza e` "proporzionale"
al livello dell'acqua immagazzinata,
Q(t)=exp(- A t), dove A e` il coefficiente di
esaurimento.
In pratica la costante di
proporzionalita` dipende dalla tipologia dell'acquifero per cui la
curva dell'idrogramma (se disegnato in scala semilogaritmica in funzione
del tempo) non segue un retta ma una serie di segmenti,
caratterizzati da valori di A via via piu` piccoli.
La prima parte (piu` ripida) rappresenta il flusso attraverso i
grandi condotti. Poi seguono i piccoli condotti e,
infine, lo svuotamento attraverso la falda estesa,
formata dalle piccole fessure.
L'indice di variabilita` di
Meinzer e` il rapporto fra
la differenza di portata massima e portata minima, e la portata media.
Esso e` tanto piu` elevato quando piu` l'acquifero e` disomogeneo.
Se la portata media e` quasi uguale alla portata minima,
e la portata massima e` notevolmente superiore a questa, l'indice di
Meinzer risulta approssimativamente pari al rapporto fra portata massima
e minima (sistema a drenaggio dominato da condotti).
La quantita` di acque che esce dalle sorgenti e` condizionata dalla
relativa importanza dei blocchi e dei condotti.
In un acquifero omogeneo l'apporto dei condotti e` trascurabile.
In tal caso il rapporto fra portata massima e minima ha valore inferiore
a 50.
L'acqua scorre lentamente e in periodo di piena l'acqua che esce dalla
risorgenza e` quella che stazionava gia` all'interno del''acquifero e
viene sospinta dalla piena.
Percio` si ha un aumento della durezza dell'acqua con la piena.
In un acquifero parzialmente omogeneo i contributi di blocchi e condotti sono equiparabili e il rapporto fra portata massima e minima varia fra 50 e 150. La durezza dell'acqua risorgente decresce inizialmente con la piena, a causa dell'onda di piena trasportata dai condotti, per poi aumentare (con un ritardo proporzionale alla preponderanza dei condotti sui blocchi) quando l'acqua immagazzinata nei blocchi viene sospinta fuori.
Negli acquiferi disomogenei il contributo dei blocchi e` irrilevante e il rapporto fra portata massima e minima supera il valore 150.
Per una analisi accurata occorre, come detto, conoscere la estensione e la geomorfologia della zona di assorbimento, e tener conto delle carattersitiche delle pioggie.
Ove possibile un esame della temperatura, conducibilita` (o del chimismo) delle acque fornisce ulteriori informazioni sugli scambi acqua-roccia e quindi sulla tipologia del sistema. La durezza dell'acqua rappresenta la quantita` di minerali disciolti. I piu` importanti sono i cationi (Ca, Mg, Na, K) e gli anioni (Cl, solfati, bicarbonati, nitrati). Tra gli elementi minori ricordo il ferro e il rame. Come unita` di misura si usano il grado tedesco, 1 od = 0.357 meq/l = 17.80 ppm, e il grado francese, 1 of = 0.200 meq/l = 10 mgr/l. Un ppm e` pari a un mgr per litro. La trasformazione fra meq e mgr dipende dal peso molecolare delle sostanze.
L'analisi della durezza dell'acqua, indica se l'acqua che fuoriesce e` rimasta a lungo o meno nel sistema. A seguito di una ondta di piena la temperatura ha una crescita iniziale dovuta all'espulsione dell'acqua immagazzinata nelle fratture, che risulta in equilibrio termico con la roccia. La temperatura ha poi un crollo quando arriva l'acqua della piena, piu` fredda. Anche la "mineralizzazione" (durezza) dell'acqua ha un aunmento iniziale seguito dall'arrivo di acque poco cariche.
Una curva di restituzione dolce e` indice di un bacino grande, con assorbimento diffuso, o gallerie orizzontali allagate (l'attrito con le pareti rallenta la piena). Questa situazione emerge anche da parametri chimico-fisici poco variabili nel tempo. Una curva stretta e` sintomo di un bacino piccolo, pioggie intense e pochi ostacoli al deflusso.
Misure di temperatura
Le misurazioni di carattere meteorologico in grotta devono essere effettuate
con maggior precisione che all'esterno a causa della ridotta entita`
delle variazioni. Per esempio per la temperatura esistono termometri
digitali con una precisione di 0.1oC.
Nelle misure di temperatura bisogna fare attenzione a non influenzare
la lettura con la lampada ad acetilene e o con la presenza dello
speleologo. Bisogna lasciare la sonda sufficientemente a lungo affinche`
si porti in equilibrio termico con l'ambiente o l'acqua. Quando si misura
la temperatura dell'acqua, si immerge la sonda senza toccare la roccia.
Per corsi profondi e laghetti si misura sia la temperatura superficiale
che quella in profondita`.
Riguardo ai problemi operativi delle misurazioni rimando
alla Sez. 8.4.
I termometri devono essere tarati periodicamente con un termometro a
mercurio a 1/10 di grado centigrado, marchiato.
Esistono strumenti automatici per il rilevamento dei dati chimici e
fisici in grotta ad intervalli regolari.
Possono misurare temperatura fra -10 e 50oC con una precisione
di 0.1oC, l'umidita` relativa fra 0 e 100 % con una precisione
di 0.5 % (metodo a bulbo bagnato), oppure fra 0 e 98 % con una precisione di
1 % (metodo a capacitore).
L'intervallo di pressione varia da 0 a 1200 mbar con una precisione
relativa del 0.6 %, e la velovita` dell'aria da 0.1 a 30 m/sec con una
precisione di 0.05 m/sec.
Misure di conducibilita`
La conducibilita` K
si esprime in Siemens/cm o in microSiemens/cm (uS/cm).
Essa si misura con uno strumento detto ponte di
Kohlraush
e una cella con due elettrodi di metallo inerte (platino) a cui viene
applicata un adifferenza di potenziale alternato con elevata frequenza.
La conducibilita` equivalente per uno ione e` il rapporto della sua
conducibilita` per la concentrazione (espressa in milli-equivalenti/litro):
Nelle acque carsiche i sali si trovano in condizioni di elevata diluzione, e percio` la dissociazione ionica e` pressoche` completa. Quindi la conducibilita` risulta la somma delle conducibilita` parziali delle singole specie ioniche. A diluzione infinita le conducibilita` equivalenti raggiungono il valore (limite) massimo. La seguente tabella riporta i valori a 25oC.
| Ione | Carica ionica |
Ke,o (uS/cm) |
X |
| Ca2+ | + 2 | 59.5 | 115.1 |
| Mg2+ | + 2 | 53.0 | 109.1 |
| Na+ | + 1 | 50.1 | 41.7 |
| K+ | + 1 | 73.5 | 47.1 |
| Cl- | - 1 | 76.3 | 47.8 |
| NO3- | - 1 | 71.4 | 46.6 |
| SO42- | - 2 | 80.0 | 133.9 |
| HCO3- | - 1 | 44.5 | 40.5 |
| H+ | + 1 | 350 |
La conducibilita` equivalente di una singola specie ionica e` calcolata con la formula di Laxen:
dove X e` il fattore di trasformazione riportato nella tabella sopra. f e` la radice quadrata della forza ionica della soluzione:
Ci sono le concentrazioni (in moli/litro) delle specie ioniche e Zi la cariche ioniche.
La conducibilita` e` quindi
Qui c e` la concentrazione in m-eq/l.
La conducibilta` dipende dalla temperatura. Al crescere della temperatura di un grado centigrado essa cresce di circa il 2%, per cui dalla conducibilita` misurata si puo` risalire alla conducibilita` teorica a 25oC con la formula (il coefficiente 0.026 e` sperimentale)
In generale per le acque acrsiche K vari ada 100 a 750 uS/cm, ma puo` arrivare anche a superare 1000 uS/cm.
I test con traccianti permettono di verificare i collegamenti di un acquifero e di stimare la tipologia dei condotti. Si utilizzano traccianti coloranti per i quali si misura la concentrazione in base al colore oppure elettroliti per cui si misura la variazione di conducibilita` dell'acqua.
I tracciamenti qualitativi (immissione con semplice verifica qualitativa dei punti di emergenza) da' poche informazioni e rischia di compromettere l'utilizzo delle acque da parte di altri, in particolare di enti locali. E` piu` opportuno eseguire tracciamenti quantitativi, che richiedono maggior impegno (per preparazione, esecuzione, elaborazione risultati e presentazione), ma danno maggiori e piu` utili informazioni. L'utilizzo di traccianti deve essere attentamente valutato, soprattutto se c'e` la possibilita` che arrivino a sorgenti captate. La fluorescina (v. sotto) non e` tossica alle concentrazioni d'uso, ma l'intensa colorazione che produce rende l'acqua non idonea per usi potabili (anche la trasparenza e` un parametro di potabilita`). In tal caso occorre richiedere autorizzazione alle autorita` sanitarie e ai proprietari dell'acquedotto, fornendo documentazione adeguata (motivi del tracciamento, calcoli di restituzione attesa, schede di tossicita`, etc.).
Se possibile i tracciamenti dovrebbero essere effettuati
con la autorizzazione, se non l'aiuto (e finanziamento), delle autorita`
competenti (amministrazioni comunali, acquedotti, etc.).
In breve e` bene trasformare un esperimento estemporaneo in un progetto
che da` maggiori informazioni, migliora i rapporti con la collettivita`
locale, e mette in luce il ruolo della speleologia e degli speleologi.
La preparazione richiede uno studio dell'area carsica, la valutazione del
bacino di alimentazione, delle emergenze, della tipologia dell'acquifero,
della presenza o meno di una zona allagata voluminosa.
Richiede la presentazione di studi preliminari, con la
analisi dei progetti di tracciamento e la
valutazione di impatto ambientale, agli enti interessati,
al fine di ottenere i permessi.
L'esecuzione deve essere ben pianificata.
La metodiche di rilievo dei dati devono essere seguite
accuratamente, per
non sprecare l'impegno preparativo con una acquisizione dei dati
sul campo povera.
L'analisi quantitativa dei risultati e` impegnativa,
anche sul piano finanziario, sovente essendo
necessarie misure di laboratorio.
Richiede sempre un notevole lavoro di elaborazione dei dati, con la
esecuzione di analisi comparative, e integrazione concettuale
delle informazioni.
La presentazione richiede la stesura di un resoconto
con stile professionale,
corredato da grafici e tabelle,
ed bibliografia pertinente.
Questo rappresenta il risultato principale della campagna di
tracciamento, e a seconda della rilevanza del lavoro si decidera`
come divulgarlo. In ogni caso
sara` bene presentarlo agli enti pubblici e privati coinvolti,
o che potrebbero essere interessati.
Le caratteristiche che i traccianti devono avere sono:
Il tracciante piu` comune e` la fluorescina (C20H12O5); si tratta di una polvera arancio-rossa che sciolta in acqua da` una intensa colorazione verde (massima in un ambiente alcalino). Utilizzata in buone condizioni 1 Kg di fluorescina puo` colorare 40000 m3 d'acqua. (Ci vuole una tonnellata di cloruro di sodio per ottenere lo stesso risultato di un Kg di fluorescina). E` visibile ad occhio in quantita` di 0.1 gr/m3.
Per rilevare la flurescina con strumenti (flurimetro e spettrofotometro)
ne basta la millesima parte, 10-4 mg/l.
La fluorescina in soluzione emette luce per fluorescenza con
un picco di emissione intorno a 490 nm. L'intensita` della emissione
e` proporzionale alla concentrazione. La spettrofotometria e`
piu` accurata perche` si rilevano le righe spettrali e permette di
identificare il tracciante.
Si immette il tracciante in un flusso concentrato (inghiottitoio o fiume sotterraneo della portata di vari litri/secondo) per limitarne il tempo di permanenza nel suolo e l'adsorbimento da parte dell'argilla. Percio` questo tipo di test non e` rappresentativo di tutti i flussi sotterranei, la maggior parte dei quali avviene lentamente attraverso le fratture e microfratture, ma riguarda solo il flusso attraverso le gallerie drenanti. L'immissione deve avvenire in tempi brevi, facendo attenzione che il tracciante si sciolga bene nell'acqua. Per facilitare l'immissione del tracciante nel flusso si puo` preparare una miscela con il tracciante in flaconi, prima di entrare in grotta (usando guanti e mascherina protettiva) o sul posto. Bisogna evitare una immissione violenta che provochi una onda di flusso.
Prima della immissione si misura la portata del flusso, e la si scrive sul tacquino assieme a tempo, luogo, quantita` di tracciante, note operative ed altre informazioni che potrebbero essere utili.
Il primo risultato di un tracciamento e` la dimostrazione della esistenza di un collegamento fra il punto di immissione e quello di risorgenza. Un risultato negativo non e` la prova della assenza di tale collegamento.
Il lavoro piu` impegnativo e` il prelievo ad intervalli opportuni dell'acqua dalle sorgenti. E` bene che chi esegue i prelievi non sia la stessa persona che immette il tracciante, per evitare contaminazioni del tracciante. In polvere i traccianti sono molto volatili e possono facilmente andare a finire sugli indumenti e le scarpe. Percio` la squadra di immissione e quella di monitoraggio devono essere separate.
Per il monitoraggio si usano campionatori automatici, prelevamenti manuali, e florocaptori. I campionatori automatici prelevano ad intervalli regolari un campione di acqua. Dato l'ingombro, le difficolta` di trasporto, problemi di locazione e funzionamento, e possibili problemi di salvaguardia, non possono essere usati per ogni sorgente. Il campionamento manuale consiste nel prelevare dell'acqua in un contenitore pulito, avendo l'accortezza di chiudere il contenitore sottacqua. Ricordarsi di segnare sul contenitore luogo e tempo del prelievo. E` semplice ma richiede la presenza sul posto. I fluorocaptori vengono posizionati e prelevati in seguito dopo uno o piu` giorni. Devono avere una etichetta su cui si scrivono luogo e tempo di immissione, e tempo di prelievo. Raccolti, sono messi individualmente in sacchetti a chiusura zip-lock (quelli per i cibi surgelati). Sono adatti per controllare sorgenti secondarie, o difficilmenti accessibili, o all'interno delle cavita`. Inoltre anche se si usa un campionatore automatico bisogna posizionare fluorocaptori, in modo da avere dei dati anche in caso di malfunzionamento dello strumento. I prelievi devono essere conservati al fresco e al riparo dalla luce se il tracciante e` fotosensibile.
In ogni esperiemnto di tracciamento si deve fare un prelievo "in bianco", cioe` prima dell'immissione del tracciante, al fine di avere un riferimento sul contenuto di traccianti dell'acqua prima del test. Se risulta la presenza di tracciante, e bene ripetere questa prova su piu` giorni, cosi` da valutare il valore massimo.
I fluorocaptori sono piccoli sacchetti di retina zanzariera (8 cm circa di lato) contenenti qualche grammo (un cucchiaino da caffe`) di carbone attivo poroso in grani (diametro qualche mm), trattato con acido per aumentare la porosita`, che intrappola la fluorescina. Si mettono nell'acqua per verificare il ritorno di un tracciante, eventualmente con anche indicazioni sul ritardo della risposta. I captori devo essere messi in posizione sicura, tenuti immersi con un peso in un bacino d`acqua calma direttamene attraversato dal flusso. Devono essere sostituiti regolarmente, poiche` si saturano di materia organica e sono consumati dall'acqua. Ad intervalli opportuni si preleva il campione in posto e se ne mette un altro. Per una valutazione minimale e` sufficiente prelevare campioni dopo 1, 2, 4 giorni, 1 settimana, 15 giorni, un mese. Ogni volta si prende il captore Inoltre si lascia un captore per tutta la durata dell'esperimento al fine di determinare una situazione di non-restituzione. Per valutazioni piu` accurate occorre effetttuare prelievi (campionamenti) ad intervalli piu` frequenti.
I fluorocaptori vengono poi analizzati in laboratorio con un fluorimetro. E` possibile verificare qualitativamente la presenza di fluorescina mettenso i granuli di carbone in una soluzione alcolica al 10% di potassa (KOH) o soda caustica (NaOH). Si mettono 9 gr di potassa (due cucchiaini da caffe`) in 100 ml d'alcol, e si agita. Quando s'e` sciolta si pongono tre grani di carbone e si lascia riposare mezzora a riparo dalla luce. Si osserva la soluzione (eventualmente filtrata) con illuminazione ortogonale per verificare la fluorescenza verde del tracciante.
La risposta ad un tracciamento e` descritta dal grafico della
concentrazione del tracciante alla risorgenza in funzione del tempo,
detto curva di
restituzione.
Questa tipicamente ha una rampa ascendente (che inizia al tempo
di minimo transito), raggiunge un massimo, e decresce con andamento
esponenziale. Sulla coda possono esserci altri massimi secondari
indicati l'esistenza di diversioni rispetto allo scorrimento principale.
Dallo studio della curva di restituzione si hanno molte
informazioni.
La tabella sotto riassume i dati quantitativi che dovrebbero essere
pubblicati nella relazione di un test di tracciamento.
Abbiamo gia` accennato ai picchi secondari come indici di
diversioni rispetto allo scorrimento principale.
La traccia e` la
restituzione lenta del tracciante adsorbito dalle argille (curva
tratteggiata in figura) ed e` difficile da stimare.
| L | distanza in linea d'aria fra il punto di immissione e quello di rilevamento (piu` distanze se ci sono piu` punti di rilevamento) | |
| Mo | quantita` di tracciante immesso | |
| Qo | portata del flusso nel punto di immissione | |
| to | tempo di immissione | |
| Co | 0 | concentrazione del tracciante prima del test. Qui supponiamo che sia nulla, in caso contrario bisogna sottrarla dalle concentrazioni. |
| Q(t) | Qr | portata del flusso al punto di rilevamento, in funzione del tempo. Qui supponiamo la portata costante. Se e` variabile bisogna sostituire lacuni prodotti con gli opportuni integrali. |
| C(t) | concentrazione del tracciante al rilevamento, in funzione del tempo | |
| t1 | tempo di inizio della restituzione | |
| t2 | tempo di fine della restituzione; e` il tempo in cui la concentrazione torna ai valori prima della restituzione | |
| vmax | L / (t1 - to) | velocita` massima |
| ttot | t2 - t1 | durata della restituzione |
| Cmax | concentrazione massima, cioe` il picco principale | |
| tm | t(tempo di Cmax) | tempo modale |
| vm | L / (tm - to) | velocita` modale |
| Cmed | (1/n) Sum C(t) | concentrazione media di restituzione |
| Rv | vmax / vm | rapporto fra la velocita` massima e quella modale. E` indicativo del tipo di acquifero: fra 1 e 2 indica un acquifero carsificato a condotti, fra 2 e 6 un acquifero a fessure carsificate, tra 6 e 14 un acquifero a fessure non carsificate |
| V1 | Qr ( t1 - to ) | volume d'acqua emesso al punto di rilevamento fra il tempo di immissione e quello di inizio della restituzione |
| Vr | Qr ( t2 - t1 ) | volume d'acqua emesso al punto di rilevamento durante la restituzione |
| F(t) | C(t) Qr dt | flusso di tracciante; dt e` l'intervallo di campionamento |
| Mr | Cmed Qr ( t2 - t1 ) | quantita` di tracciante restituito. |
| r | Mr / Mo | tasso di restituzione (solitamente espresso in percentuale). Valori tipici variano fra 30 e 70 % a seconda del tipo di acquifero. Se e` molto basso, o ci sono restituzioni in punti non monitorati, o assorbimenti all'inerno dell'acquifero. Puo` essere anche dovuto ad errori nella stima delle portate. Se risulta troppo alto, salvo condizioni anomale, e` indice di una sovrastima delle portate. |
| h(t) | F(t) / Mr | distribuzione del flusso del tracciante. La somma su tutti i tempi e` pari a uno. |
| tmed | Sum [ h(t) ( t - to ) ] | tempo medio di permanenza del tracciante nel sistema. In condizioni teoriche con una curva di restituzione ideale con un solo picco, C(t) = Cmax exp(-a/(t-tm)) per t > tm (modello di Maillet), il tempo di transito medio vale tm+1/a. Il coefficiente a e` proporzionale alla permeabilita` del sistema, e inversamente proporzionale all'importanza delle riserve idriche. a>1/50 giorni corrisponde ad un sistema ben drenato e/o con poche riserve. a<1/100 giorni corrisponde ad una situazione con drenaggio lento e/o grandi riserve. |
| vmed | Sum [ h(t ) / ( t - to ) ] | velocita` media di transito del tracciante |
| vapp | L / tmed | velocita` apparente di transito |
| d | A / tmed | la dispersione del tracciante viene stimata dalla larghezza, A, della curva di restituzione a meta` altezza, diviso per il tempo medio di transito. Se la dispersione e` piccola il trasporto avviene in grandi gallerie. Un valore alto indica un trasporto in flussi diffusi in piccole fratture. |
| Ce | Mo Qo | concentrazioni di immissione. Si assume un tempo di immissione di un secondo. |
| Dmin | Cmax / Ce | diluzione minima. Puo` essere usata per valutare un impatto di inquinamento. |
| Dmed | Cmed / Ce | diluzione media |
Fallimenti (o risultati errati) di test con traccianti possono essere dovuti a molteplici cause:
Altri traccianti fluorescenti (e.g., le rodamine) sono pericolosi per l'uomo (cancerogeni) e la fauna. Tracciamenti con sistemi naturali (clorofilla e spore) presentano difficolta` di reperimento, uso, e analisi: danno risultati perlopiu` qualitativi. Una alternativa alla fluorescina e` il Tinopal CBS-X, un azzurrante ottico, in polvere giallina, atossico e non colorante alle concentrazioni d'uso. Per i prelievi si usano captori con una garza di cotone piegata non trattato, e le analisi si fanno con spettrofluorimetria o spettrofotometria. Rispetto alla fluorescina presenta un piu` alto decadimento fotochimico (percio` deve essere conservato al buio), e` meno sensibile a valori bassi del pH, ed e` piu` facilmente assorbito da depositi di argilla. Inoltre e` meno solubile (100 mgr/l).
Le grotte non sono sistemi isolati, ma sono intimamente connessi con l'ambiente sovrastante, in particolar modo con le zone di assorbimento e di risorgenza. L'acqua che entra nel sistema carsico da inghiottitoi e per percolazione attraverso il suolo riemerge in superficie nelle risorgenze, dove puo` essere captata per fabbisogni idrici. Per questo motivo l'inquinamento e il degrado delle grotte e quello del territorio non sono indipendenti.
Spesso inquinamento e degrado sono il risultato di azioni e atteggiamenti non volutamente dannosi, dovuti solo ad ignoranza delle conseguenze nocive di certe azioni. Poissiamo distinguere tre categorie di attori di inquinamento e distruzione:
Gli speleologi "rovinano" le grotte in vari modi:
Carburo esausto. Oltre all'aspetto estetico di abbruttimento dell'ambiente, il carburo di tipo industriale contiene sovente impurita` che possono essere inquinanti. L'idrossido di calcio altera il chimismo della grotta: disciolto in acqua ha comportamento basico e reazioni esotermiche. Se non e` possibile riportare il carburo esausto all'esterno si deve seppellirlo in una buca in un deposito argilloso lontano dai flussi idrici, o stemperarlo poco a poco in un grosso corso d'acqua.
Pile esaurite.
Le pile abbandonate si rompono (per corrosione
o per rigonfiamento) lasciando fuoriuscire acidi e ioni metallici tossici.
La quantita` di acqua inquinabile con una batteria (da 4.5 V piatta, pari a
circa 40 gr. di metalli) e` ricavabile dalla seguente tabella.
| Potere inquinante | |
|---|---|
| Zn | 5 - 30 m3 |
| Cd | 3000 - 15000 m3 |
| Hg | 15000 - 30000 m3 |
Materiali inorganici. Sono spesso a base di ferro e alluminio, quindi producono solo un inquinamento estetico.
Materiali organici. I cibi hanno potere inquinante solo in quanto supporto trofico per elementi patogeni. I mozziconi di sigarette sono inquinanti perche` contengono catrame e nicotina. Per gli escrementi la tossicita` dipende dalla quantita`. Eviterli se non indispensabile, soprattutto per motivi estetici. E` molto piu` facile e veloce il loro smaltimento (anche biodegradabile) all'esterno.
La comunita` locale e la popolazione nel suo complesso sono gli altri attori inquinanti in quanto possono produrre rifiuti, diffondere sostanze tossiche in larga quantita` sul territorio di assorbimento. La loro azione inquinante riguarda dunque gli acquiferi carsici piuttosto che direttamente le cavita`. Sono agenti inquinanti:
L'inquinante puo` entrare nell'acquifero in modo diffuso (cioe` lentamente attraverso i terreni, depositi e rocce superficiali) oppure concentrato (attraverso inghiottitoi attivi o semiattivi, e fratture). All'interno del sistema carsico l'inquinante attraversa la zona non satura, in cui scorre in direzione subverticale lungo fessure, fratture, condotti. Questa zone ha un effetto di filtraggio depurativo piu` o meno accentuato a seconda della velocita di scorrimento e delle condizioni di ossigenazione.
La successiva zona satura non ha potere depurante se non per la diluzione dell'inquinante nel sistema sotterraneo e per la sedimentazione dello stesso. Quest'ultima mentre riduce la concentrazione dell'inquinante in soluzione nell'acqua crea una riserva di inquinante che puo` venir mobilitata in caso di piena, generando delle onde di inquinamento.
La modalita` di restituzione dell'inquinante all'esterno dipende dalla struttura dell'intero sistema: e` rapida se il reticolo e` caratterizzato da condotte, mentre e` lenta e prolungata se predominano le fratture.
Una attivita` che altera considerevolmente l'equilibrio di un sistema carsico e` la captazione e i convogliamento di ingenti quantita` d'acqua, sovente a scopi di produzione di energia idroelettrica, piuttosto che per approvvigionamento idrico.