Operedi presasorgenti pozzi

Acquedotti

William-Adolphe Bouguereau (1825-1905) - Thirst (1886)
Riccardo Rigon, Roberto Magini et al.
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Modello concettuale di acquedotto

Captazione Adduzione Distribuzione

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Modello concettuale di acquedotto

Captazione Adduzione Distribuzione

Trattamento/
Regolazione
Produzione

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Reti di distribuzione idrica

Al di sotto dei suoli, dal punto di vista idrologico: gli acquiferi

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Riccardo Rigon

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Al di sotto dei suoli: gli acquiferi

http://ga.water.usgs.gov/edu/earthgwaquifer.html
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Riccardo Rigon

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Reti di distribuzione idrica After de Marsily, 1986

Al di sotto dei suoli: gli acquiferi freatici

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Riccardo Rigon

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Riccardo Rigon

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Riccardo Rigon

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RISORSE IDRICHE NATURALI
SCHEMI DI FALDE LIBERE E ARTESIANE

• In funzione alla situazioni particolari del sottosuolo (ubicazione della strato
impermeabile di sostegno della falda, sovrapposizioni di strati impermeabili a strati
permeabili, affioramenti, ecc.) si possono avere una falda:

• libera superficiale o freatica: quando la
falda scorre attraverso uno strato poroso
non saturo sostenuto da uno strato
impermeabile ;

• in pressione o falda artesiana: quando lo
strato permeabile è contenuto tra due strati
impermeabili e allo stesso tempo la zona
permeabile è satura e soggetta a pressione
tale che i livelli piezometrici siano al
disopra della superficie di fondo della
falda superiore.

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RISORSE IDRICHE NATURALI : Schema di sorgenti.

• SORGENTI DI FONDO: Originate dall’affioramento dello strato impermeabile
che costituisce la superficie di fondo. Possono essere:

Da detrito: la superfice di fondo,
impermeabile, è ricoperta da un ammasso
detritico (cono di deiezione, morena, materiali di
frana) che è sede della falda la quale affiora, a
valle, al piede del detrito;

Monoclinale o fluviale: la superficie di fondo che
presenta una direzione costante e pendenza
uniforme (monoclinale), affiora su un pendio;

Sinclinale o lacuale: lo strato impermeabile
presenta una concavità verso l’alto (sinclinale)
affiorante su un pendio;

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• SORGENTI DI AFFIORAMENTO O EMERSIONE: il terreno taglia
localmente, per incisione, la superficie della falda generando le sorgenti di pendio
ovvero per depressione; in questo caso possono presentarsi due scaturigini sui
versanti opposti con l’affioramento di sorgenti di valle

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• SCHEMI DI SORGENTI DI DRENAGGIO: sono conseguenti all’esistenza,
all’interno di un ammasso permeabile, di fessurazioni che costituiscono un
sistema di circolazione dell’acqua di tipo vascolare. Sono tipiche di mezzi
fratturati e nelle zone carsiche .

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• SORGENTI DI SFIORAMENTO: sono generate dall’affioramento di
uno strato impermeabile sub-verticale, generalmente non di sostegno della
falda

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• SORGENTI ARTESIANE: sono alimentate da falde in pressione in
presenza di fratture dello strato impermeabile o di faglia con rigetto dello
stato superficiale.

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RISORSE IDRICHE NATURALI

SCHEMI DI SORGENTI:

• Quando le acque di falda raggiungono la superficie del suolo danno luogo a
scaturigini naturali dette sorgenti che, rispetto a situazioni topografiche e
geologiche si possono classificare in:

• SORGENTI DI FONDO,

• SORGENTI DI AFFIORAMENTO O EMERSIONE,

• SORGENTI DI DRENAGGIO,

• SORGENTI DI SFIORAMENTO

• SORGENTI ARTESIANE:

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A) OPERE DI PRESA DA SORGENTI:
• Le acque di sorgente hanno costituito e costituiscono tuttora, specialmente in Italia, la
fonte preferita di alimentazione degli acquedotti destinati all'uso potabile.

• Le opere di presa delle acque sotterranee sgorganti naturalmente alla superficie del suolo
rispondono, pertanto, prevalentemente a criteri di progettazione e di realizzazione intesi
a:

realizzare senza dispersioni la totale captazione della portata della sorgente,

conservare le qualità proprie chimiche e batteriologice delle acque,

conservare i loro caratteri organolettici favorevoli alla utilizzazione potabile

preservare le acque stesse da ogni contatto con l'ambiente esterno.

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A) OPERE DI PRESA DA SORGENTI: Alcune considerazioni.

• Le forme costruttive delle opere di presa dipendono dalla morfologia del terreno e dalla
situazione geologica che determina lo sbocco in superficie.

• Le acque devono essere captate nel punto o nei punti nei quali la condizione geologica
ne determina lo sgorgo, e non nei detriti ove le acque stesse si infiltrano dopo lo sgorgo
in sede geologica.

• Devono essere predisposti provvedimenti intesi ad evitare che l'opera di captazione
possa, nel tempo, essere aggirata con conseguente perdita parziale o totale dell'acqua da
utilizzare ed eventualmente con rischio di compromettere la stabilità delle opere murarie
della presa.

• L’opera di presa per l'uso potabile viene preclusa, con pareti vetrate, al contatto del
personale addetto a sorveglianza e manovra, così da impedire l'inquinamento dell'acqua.

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A) OPERE DI PRESA DA SORGENTI: Alcune considerazioni.
• Il punto di presa, quale sede in cui si manifesta lo sgorgo, deve essere raggiunto
rimuovendo, con scavi a cielo aperto, le formazioni di ricoprimento ovvero
traversandole con scavi in trincea o in galleria realizzando cunicoli murari.

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A) OPERE DI PRESA DA SORGENTI: Considerazioni.

• Le opere di captazione sono realizzate secondo schemi abbastanza semplici.

• La molteplicità delle possibili condizioni, sia morfologiche che geologiche, danno
luogo a tipologie costruttive alquanto diverse.

• Tuttavia possono individuarsi alcune condizioni fondamentali nel rispetto delle
quali le opere sono state tradizionalmente concepite e realizzate. Tra gli elementi
indispensabile abbiamo:

 SOGLIA MURARIA: fondata nelle strato impermeabile e spinta a profondità
sufficiente per evitare sifonamento dell'opera;

 EDIFICIO: posto dinnanzi alla soglia muraria contenente tutti i dispositivi occorrenti
per la raccolta delle acque, sedimentazione, sfioro dei superi, intercettazione, misura,
ecc.

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A) OPERE DI PRESA DA SORGENTI: Alcuni esempi.

Tuesday, May 15, 12

A) OPERE DI PRESA DA SORGENTI: Alcuni esempi.

• Alcuni dettagli costruttivi:

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L’esperimento di Darcy

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Riccardo Rigon

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Q ⇥ (A/l)(h2 h1 )

Q (h2 h1 )
Jv = =K
A l

(h2 h1 ) dh
=
l dz
dh
Jv = K
dz

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Riccardo Rigon

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K è detto conducibilità
idraulica

dh
Jv = K
dz
D’altra parte la pressione
alla base della colonna
è
p= w g(h z)

p
Quindi: h=z+
wg

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Riccardo Rigon

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p
h=z+
wg
Si può osservare che
h è il carico idraulico
(l’energia per unità di
volume) di un volume
d’acqua posto ad
altezza z e sottoposto
alla pressione relativa p

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Riccardo Rigon

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La conducibilità idraulica

Studi successivi conducibilità idraulica a quello
di Darcy hanno mostrato che la conducibilità
idraulica ha, in suoli non omogenei un vettore
con componenti lungo tre direzioni preferenziali

¯
K = (Kx , Ky , Kz )

Ed è pertanto un tensore nella direzione di un
sistema di assi coordinati arbitrari (x,y,z)

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Riccardo Rigon

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La conducibilità idraulica

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Riccardo Rigon

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B) OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi scavati
• L'estrazione dell'acqua dai pozzi praticabili comporta varie modalità di istallazione dei
relativi macchinari.

– Gruppi elettropompe posti su un solaio o in una nicchia realizzati nella canna del
pozzo a conveniente altezza.

– Gruppi con pompa sommersa e motore in superficie, quest’ultimo possibilmente
posizionato alla quota del piano di campagna.

– Gruppi elettropompe sommersi (ad oggi lasoluzione più comune)

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Pozzo in falda freatica
Dopo l’avvio della pompa si osserva un abbassamento
della falda.

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Riccardo Rigon

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Tale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la
portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da

q = 2 x h Jv

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Riccardo Rigon

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q = 2 x h Jv

Circonferenza
alla distanza x
dal pozzo

46

Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12



q = 2 x h Jv

Altezza della
falda

Circonferenza
alla distanza x
dal pozzo

46

Riccardo Rigon

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Flusso laterale
q = 2 x h Jv

Altezza della
falda

Circonferenza
alla distanza x
dal pozzo

46

Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12



q = 2 x h Jv
h
Jv = K
x

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Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12



q = 2 x h Jv
h
Jv = K
x

conducibilità idraulica
dell’acquifero
47

Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12



q = 2 x h Jv
h
Jv = K Gradiente piezometrico
x

conducibilità idraulica
dell’acquifero
47

Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12



q = 2 x h Jv
h
Jv = K
x
⇥h
ovvero q=2 xK h
⇥x

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Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12


Separando le variabili risulta:

dx
q = 2 K h dh
x
Ed integrando:

R
q log = K (h h0 )
2
r0

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Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12


Da cui si ottiene:

q R
h = h0 + log
K r0
che approssima la posizione della falda al variare della distanza R

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Riccardo Rigon

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Pozzo in falda artesiana

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Riccardo Rigon

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Thiem solution


⇤
q = 2⇥ x K e
⇤x

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Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12


Thiem solution


⇤
q = 2⇥ x K e
⇤x

Spessore dell’acquifero

52

Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12


Thiem solution


⇤
q = 2⇥ x K e Gradiente piezometrico
⇤x

Spessore dell’acquifero

52

Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12


Thiem solution
Separando le variabili si ottiene

dx
q = 2⇥ e d
x
Da cui integrando:

R h2
dx
q = 2⇥ e d
r x h1

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Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12


Thiem solution
Da cui

R
q log = 2 T (h2 h1 )
r
T := K e
T è detta “trasmissività dell’acquifero e:

q R
h2 = h1 + log
2 T r
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Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12


Thiem solution

Si osservi che l’equazione precedente non può essere valida per ogni R, poichè

R q
lim h2 = lim h1 + log ⇥
R >⇤ R⇥⇤ 2 T r

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Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12


Pozzi
Thiem solution

Si è dunque i grado di determinare l’abbassamento della falda, assegnate le
condizioni di pompaggio.

Tuttavia questo risulta noto se è nota la conducibilità idraulica media
dell’acquifero o la sua trasmissività (a seconda dei casi).

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Riccardo Rigon

Tuesday, May 15, 12


Pozzi
Thiem solution

Per altro invertendo la formule precedenti ed in base a sole misure di livello si
sarebbe in grado di dare una prima stima approssimata della trasmissività (nel
caso dell’acquifero confinato)

q log R
r
T ⇥
2 (h2 h1 )
O della conducibilità nel caso dell’acquifero freatico

q log R
r
K⇥
(h2 h1 )2
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Riccardo Rigon

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Pozzi
Thiem solution

Naturalmente le formule precedenti possono essere usate anche per altri scopi,
per esempio,

q log R
r
T ⇥
2 (h2 h1 )
O della conducibilità nel caso dell’acquifero freatico

q log R
r
K⇥
(h2 h1 )2
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Riccardo Rigon

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Pozzi
Thiem solution

O ancora, valutare la possibilità di emungimento in funzione della depressione
del pozzo,
R. Rosso, 2002

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Riccardo Rigon

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Pozzi
Thiem solution
In realtà la situazione è più complessa di quella descritta dalle equazioni
stazionarie, ed è, per esempio rappresentata in nella figura sottostante.
R. Rosso, 2002

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Riccardo Rigon

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Prove di pompaggio

In genere per ottenere informazioni sulle caratteristiche dell’acquifero è
necessario attuare delle prove di pompaggio

Le prove di pompaggio, emungimento o come spesso si dice di portata,
consistono nella sollecitazione delle acque di una falda tramite estrazione da
un pozzo o pompaggio controllato. Ciò al fine di determinare i parametri
idrodinamici della falda e di giungere all’ottimizzazione delle caratteristiche
tecniche dell’opera di presa.

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Riccardo Rigon

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Prove di Pompaggio
Il tipo di prove (e di obiettivi che le prove di pompaggio si possono porre) dipendono
dal tipo di falda. Per esempio, le linee guida redatte allo scopo dalla provincia di
Bolzano, riportano le seguenti categorie di prove.

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Riccardo Rigon

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Prove di Pompaggio
E le seguenti metodologie:

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Riccardo Rigon

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Prove di Pompaggio
Theis (1935)

Come esempio illustriamo brevemente la procedura di Theis. Questa parte dalla
scrittura dell’equazione del moto per un acquifero omogeneo isotropo e infinito,
con trasmissività e storatività (o coefficiente di immagazzinamento) costante,
rispettivamente T, ed S.

S h 2
h h1
= +
T t r2 rr

R. Rosso, 2002
La storatività è definita come

1 dVw
S :=
A dh

ovvero variazione di volume d’acqua rilasciato per unità di area dell’acquifero in
seguito ad un aumento unitario del carico piezometrico
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Riccardo Rigon

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Nell’ipotesi di Theis (rielaborata da Jacob) considera che le dimensioni del
cono di depressione, in funzione del tempo di pompaggio, non cessino mai
di aumentare, non realizzandosi pertanto le condizioni di equilibrio
(regime transitorio o di non equilibrio).

In effetti si è verificato sperimentalmente che salvo che in condizioni in
natura difficilmente presenti, il regime permanente non si realizza. Tuttavia
va anche detto che dopo tempi molto lunghi in pratica il cono di
depressione varia impercettibilmente (regime quasi permanente).

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Riccardo Rigon

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Prove di Pompaggio
Theis (1935)

Nelle ipotesi precedentemente illustrate, l’equazione (**) ha soluzione
see also: http://en.wikipedia.org/wiki/Aquifer_test

Q r2 S
(t) := h0 h(t) = W (u) u :=
4⇥ T 4T t
Dove la funzione W è conosciuta come “funzione di pozzo” nella letteratura
idrogeologica, “exponential integral” nella letteratura matematica o funzione
Gamma incompleta G(0,u) in altri ambiti.

⇥ u
e
W (u) := du
u u

Theis, Charles V. (1935). "The relation between the lowering of the piezometric surface and the rate and duration of discharge of a well using
ground-water storage". Transactions, American Geophysical Union 16: 519–524.
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Riccardo Rigon

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Prove di Pompaggio
Theis (1935)
After Ronchetti, unimore

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Riccardo Rigon

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Prove di Pompaggio
Theis (1935)

Una prova in genere consiste nell’effettuare sessioni di pompaggio
successive di durata diversa e prefissata e nella ricostruzione per punti della
curva di Theis, dalla quale, sotto le opportune ipotesi si ricavano stime di S e
T.

Per eseguire una prova di pompaggio, è necessario che il pozzo sia equipaggiato
con una pompa sommersa di adeguata potenza, con un misuratore di portata
a registrazione continua, uno o più misuratori di livello in pozzo (freatimetro),
uno o più cronometri, e con un sistema di scarico che faccia in modo che le
acque emunte siano correttamente allontanate dal punto di prelievo per evitare
rialimentazioni della falda dalla superficie i breve tempo.

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Riccardo Rigon

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Prove di Pompaggio
Theis (1935)

La frequenza delle misure dei livelli è ravvicinata all’inizio, per poi
progressivamente rallentare. Le prove possono essere di breve o lunga
durata, le prime generalmente a più scalini durano da 1 a 3 ore per ognuno
di essi, attendendo per ogni gradino a portata crescente lo stabilizzarsi del
livello, le seconde durano da almeno 24 ore a più giorni.

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Riccardo Rigon

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OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: -Pozzi trivellati.

• La realizzazione dei pozzi comuni è oggigiorno limitata a particolari situazioni (ad es.
lo schema a raggiera).

• Sono sempre più diffusioni i pozzi tubolari realizzati con trivellazione.

• I diametri comunemente impiegati vanno da ∅300÷350 mm per arrivare fino a diametri
∅ > 600 mm.

• I pozzi tubolari vengono realizzati con un:

 SISTEMA A PERCUSSIONE,

SISTEMA A ROTAZIONE

Tuesday, May 15, 12

B) OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi trivellati.
• SISTEMA A ROTAZIONE: la perforazione viene effettuata con un carotiere fornito, in
punta, di una corona dentata costituita da punte metalliche ad alta resistenza, generalmente al
Vanadio.

• Sistema indicato per terreni rocciosi, consente di raggiungere profondità elevate, 200÷300 m.

Tuesday, May 15, 12

OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi trivellati.
• METODO DIRETTO:

 La miscela lubrificante viene pompata,
attraverso le aste di perforazione, fino alla testa
rotante;

 I detriti prodotti dallo scalpello misti alla
miscela vengono spinti verso l’alto attraverso
lo spazio anulare tra la parete dello scavo e le
aste.

 La spinta idrostatica della colonna di fango e la
coesione sostiene la parete dello scavo fino
all’introduzione della tubazione di rivestimento
(camicia del pozzo).

 Il metodo è maggiormente utilizzato per pozzi
di diametro ∅ <600 mm;

Tuesday, May 15, 12

OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi trivellati.
• METODO INVERSO:

 La circolazione del fango alimenta
direttamente lo spazio anulare.

 Il fango con i detriti viene aspirato, con una
pompa, attraverso le aste di perforazione.

 Le velocità ascensionali all’interno delle aste
possono raggiungere valori di circa 1 m/s
sufficiente per trasportare detriti anche
grossolani, rendendo il sistema adatto anche
al caso di diametri maggiori.

Tuesday, May 15, 12

B) OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi scavati.

Schema di POZZO A RAGGIERA.

 Vengono infissi un certo numero di tubazioni
metalliche orizzontali, a parete forata, disposti a
raggiera e addentrantesi per qualche decina di
metri nella formazione acquifera.

 Le acque fluenti al pozzo centrale, che diviene
camera di raccolta, vengono sollevate con
macchine sommerse.

 L'opera di presa interessa una grande estensione
della falda, col vantaggio, a parità di portata
emunta, di piccole velocità ed abbassamenti più
limitati dei livelli.

Tuesday, May 15, 12


Solo per ricordare che l’ingegnere deve saper utiizzare le
tecnologie consone ai luoghi.

www.missionemadagascar.org 90

Tuesday, May 15, 12



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