Falda acquifera

Un acquifero è uno strato sotterraneo di materiale contenente acqua , costituito da roccia permeabile o fratturata, o da materiali non consolidati ( ghiaia , sabbia o limo ). Gli acquiferi variano notevolmente nelle loro caratteristiche. Lo studio del flusso d’acqua negli acquiferi e la caratterizzazione degli acquiferi è chiamato idrogeologia . I termini correlati includono acquitardo , che è un letto di bassa permeabilità lungo un acquifero, e acquiclude (o acquifugo ), che è un’area solida e impermeabile sottostante o sovrastante un acquifero, la cui pressione potrebbe portare alla formazione di un acquifero confinato. La classificazione degli acquiferi è la seguente: saturi contro insaturi; acquiferi contro acquitardi; confinati contro non confinati; isotropi contro anisotropi; porosi, carsici o fratturati; acquifero transfrontaliero.

Le acque sotterranee provenienti dalle falde acquifere possono essere raccolte in modo sostenibile dagli esseri umani attraverso l’uso di qanat che conducono a un pozzo. ^[1] Queste acque sotterranee sono una fonte importante di acqua dolce per molte regioni, tuttavia possono presentare una serie di sfide come l’eccessivo sfruttamento (estrazione di acque sotterranee oltre la resa di equilibrio della falda acquifera), il cedimento del terreno correlato alle acque sotterranee e la salinizzazione o l’inquinamento delle acque sotterranee.

Le falde acquifere si trovano dalla superficie fino a profondità superiori ai 9.000 metri (30.000 piedi). ^[2] Quelle più vicine alla superficie non solo hanno maggiori probabilità di essere utilizzate per l’approvvigionamento idrico e l’irrigazione, ma hanno anche maggiori probabilità di essere rifornite dalle precipitazioni locali. Sebbene le falde acquifere siano talvolta caratterizzate come “fiumi o laghi sotterranei”, sono in realtà rocce porose sature di acqua. ^[3]

Molte aree desertiche hanno colline o montagne calcaree al loro interno o nelle vicinanze che possono essere sfruttate come risorse idriche sotterranee. ^[4] Parte delle montagne dell’Atlante nel Nord Africa, le catene del Libano e dell’Anti-Libano tra Siria e Libano, il Jebel Akhdar in Oman, parti della Sierra Nevada e catene vicine nel sud-ovest degli Stati Uniti , hanno falde acquifere poco profonde che vengono sfruttate per la loro acqua. Lo sfruttamento eccessivo può portare al superamento della resa pratica sostenuta; vale a dire, viene estratta più acqua di quanta ne possa essere reintegrata.

Lungo le coste di alcuni paesi, come la Libia e Israele, l’aumento del consumo di acqua dovuto alla crescita demografica ha causato un abbassamento della falda freatica e la conseguente contaminazione delle falde acquifere con l’acqua salata del mare.

Nel 2013 sono state scoperte grandi falde acquifere di acqua dolce sotto le piattaforme continentali al largo di Australia, Cina, Nord America e Sud Africa. Si stima che contengano circa mezzo milione di chilometri cubi di acqua “a bassa salinità” che potrebbe essere trasformata economicamente in acqua potabile . Le riserve si sono formate quando i livelli degli oceani erano più bassi e l’acqua piovana si è fatta strada nel terreno in aree terrestri che non sono state sommerse fino alla fine dell’era glaciale , 20.000 anni fa. Si stima che il volume sia 100 volte la quantità di acqua estratta da altre falde acquifere dal 1900. ^[5] [6]

Un acquitardo è una zona all’interno della Terra che limita il flusso di acqua sotterranea da una falda acquifera all’altra. Un acquitardo può talvolta, se completamente impermeabile, essere chiamato acquiclude o acquifugo . Gli acquitardi sono composti da strati di argilla o roccia non porosa con bassa conduttività idraulica .

Le falde acquifere possono essere trovate in quasi ogni punto del sottosuolo superficiale della Terra in una certa misura, sebbene le falde acquifere non contengano necessariamente acqua dolce . La crosta terrestre può essere divisa in due regioni: la zona satura o zona freatica (ad esempio, falde acquifere, acquitardi, ecc.), dove tutti gli spazi disponibili sono riempiti d’acqua, e la zona insatura (chiamata anche zona vadosa ), dove ci sono ancora sacche d’aria che contengono un po’ d’acqua, ma possono essere riempite con altra acqua.

Saturato significa che la pressione dell’acqua è maggiore della pressione atmosferica (ha una pressione relativa > 0). La definizione di falda freatica è la superficie in cui la pressione è uguale alla pressione atmosferica (dove la pressione relativa = 0).

Le condizioni insature si verificano sopra la falda freatica dove la pressione è negativa (la pressione assoluta non può mai essere negativa, ma la pressione relativa sì) e l’acqua che riempie in modo incompleto i pori del materiale acquifero è sotto aspirazione . Il contenuto d’acqua nella zona insatura è mantenuto in posizione da forze adesive superficiali e sale sopra la falda freatica (l’ isobara di pressione relativa zero ) per azione capillare per saturare una piccola zona sopra la superficie freatica (la frangia capillare ) a una pressione inferiore a quella atmosferica. Questo è definito saturazione di tensione e non è la stessa cosa della saturazione su base di contenuto d’acqua. Il contenuto d’acqua in una frangia capillare diminuisce con l’aumentare della distanza dalla superficie freatica. La testa capillare dipende dalla dimensione dei pori del terreno. Nei terreni sabbiosi con pori più grandi, la testa sarà inferiore rispetto ai terreni argillosi con pori molto piccoli. La normale risalita capillare in un terreno argilloso è inferiore a 1,8 m (6 piedi) ma può variare tra 0,3 e 10 m (1 e 33 piedi). ^[8]

La risalita capillare dell’acqua in un tubo di piccolo diametro comporta lo stesso processo fisico. La falda freatica è il livello a cui l’acqua salirà in un tubo di grande diametro (ad esempio, un pozzo) che scende nell’acquifero ed è aperto all’atmosfera.

Le falde acquifere sono solitamente regioni sature del sottosuolo che producono una quantità di acqua economicamente sostenibile per un pozzo o una sorgente (ad esempio, sabbia e ghiaia o roccia fratturata costituiscono spesso buoni materiali per le falde acquifere).

Un acquitardo è una zona all’interno della Terra che limita il flusso delle acque sotterranee da una falda acquifera all’altra. ^[9] Un acquitardo completamente impermeabile è chiamato acquiclude o acquifugo . Gli acquitardi contengono strati di argilla o roccia non porosa con bassa conduttività idraulica .

Nelle zone montuose (o vicino ai fiumi nelle zone montuose), le principali falde acquifere sono in genere alluvioni non consolidate , composte per lo più da strati orizzontali di materiali depositati da processi idrici (fiumi e torrenti), che in sezione trasversale (guardando una fetta bidimensionale della falda acquifera) sembrano essere strati di materiali grossolani e fini alternati. I materiali grossolani, a causa dell’elevata energia necessaria per spostarli, tendono a trovarsi più vicino alla sorgente (fronti montuosi o fiumi), mentre il materiale a grana fine si allontanerà dalla sorgente (verso le parti più piatte del bacino o aree di sponda, a volte chiamate area di pressione). Poiché ci sono meno depositi a grana fine vicino alla sorgente, questo è un luogo in cui le falde acquifere sono spesso non confinate (a volte chiamate area di forebay) o in comunicazione idraulica con la superficie terrestre.

Un acquifero non confinato non ha una barriera impermeabile immediatamente sopra di sé, in modo che il livello dell’acqua possa aumentare in risposta alla ricarica. Un acquifero confinato ha una barriera impermeabile sovrastante che impedisce al livello dell’acqua nell’acquifero di aumentare ulteriormente. Un acquifero nella stessa unità geologica può essere confinato in un’area e non confinato in un’altra. Gli acquiferi non confinati sono talvolta chiamati anche falde acquifere o falde freatiche , perché il loro limite superiore è la falda acquifera o la superficie freatica (vedi Biscayne Aquifer ). In genere (ma non sempre) l’acquifero più superficiale in una data posizione è non confinato, il che significa che non ha uno strato di confinamento (un acquitardo o un acquiclude) tra esso e la superficie. Il termine “sospeso” si riferisce all’acqua di falda che si accumula sopra un’unità o strati a bassa permeabilità, come uno strato di argilla. Questo termine è generalmente utilizzato per riferirsi a una piccola area locale di acqua sotterranea che si trova a un’altitudine superiore a quella di un acquifero esteso a livello regionale. La differenza tra acquiferi sospesi e non confinati è la loro dimensione (sospesi sono più piccoli). Gli acquiferi confinati sono acquiferi che sono ricoperti da uno strato di confinamento, spesso costituito da argilla. Lo strato di confinamento potrebbe offrire una certa protezione dalla contaminazione superficiale.

Se la distinzione tra confinato e non confinato non è chiara geologicamente (ad esempio, se non si sa se esiste uno strato di confinamento chiaro, o se la geologia è più complessa, ad esempio, un acquifero di roccia fratturata), il valore di immagazzinamento restituito da un test dell’acquifero può essere utilizzato per determinarlo (sebbene i test dell’acquifero in acquiferi non confinati debbano essere interpretati in modo diverso rispetto a quelli confinati). Gli acquiferi confinati hanno valori di immagazzinamento molto bassi (molto inferiori a 0,01, e fino a 10⁻⁵ ), il che significa che l’acquifero immagazzina acqua utilizzando i meccanismi di espansione della matrice dell’acquifero e la comprimibilità dell’acqua, che in genere sono entrambe quantità piuttosto piccole. Gli acquiferi non confinati hanno capacità di immagazzinamento (in genere chiamate resa specifica ) maggiori di 0,01 (1% del volume di massa); rilasciano acqua dall’accumulo tramite il meccanismo di drenaggio effettivo dei pori dell’acquifero, rilasciando quantità relativamente grandi di acqua (fino alla porosità drenabile del materiale dell’acquifero o al contenuto minimo di acqua in volume ).

Negli acquiferi isotropi o negli strati acquiferi la conducibilità idraulica (K) è uguale per il flusso in tutte le direzioni, mentre in condizioni anisotrope differisce, in particolare in senso orizzontale (Kh) e verticale (Kv).

Gli acquiferi semiconfinati con uno o più acquitardi funzionano come un sistema anisotropo, anche quando gli strati separati sono isotropi, perché i valori dei composti Kh e Kv sono diversi (vedere trasmissività idraulica e resistenza idraulica ).

Nel calcolo del flusso verso gli scarichi ^[10] o il flusso verso i pozzi ^[11] in un acquifero, l’anisotropia deve essere presa in considerazione per evitare che la progettazione risultante del sistema di drenaggio possa essere difettosa.

Per gestire correttamente un acquifero, è necessario comprenderne le proprietà. Molte proprietà devono essere note per prevedere come un acquifero risponderà alle precipitazioni, alla siccità, al pompaggio e alla contaminazione . Le considerazioni includono dove e quanta acqua entra nelle falde acquifere dalle precipitazioni e dallo scioglimento della neve, quanto velocemente e in quale direzione viaggia l’acqua di falda e quanta acqua lascia il terreno come sorgenti. I modelli al computer possono essere utilizzati per testare quanto accuratamente la comprensione delle proprietà dell’acquifero corrisponda alle effettive prestazioni dell’acquifero. ^{[12] : 192–193, 233–237} Le normative ambientali richiedono che i siti con potenziali fonti di contaminazione dimostrino che l’ idrologia è stata caratterizzata . ^{[12] : 3}

Gli acquiferi porosi si trovano tipicamente nella sabbia e nell’arenaria . Le proprietà degli acquiferi porosi dipendono dall’ambiente sedimentario deposizionale e dalla successiva cementazione naturale dei granelli di sabbia. L’ambiente in cui è stato depositato un corpo di sabbia controlla l’orientamento dei granelli di sabbia, le variazioni orizzontali e verticali e la distribuzione degli strati di scisto. Anche gli strati sottili di scisto sono importanti barriere al flusso delle acque sotterranee. Tutti questi fattori influenzano la porosità e la permeabilità degli acquiferi sabbiosi. ^{[13] : 413}

I depositi sabbiosi formati in ambienti marini poco profondi e in ambienti di dune di sabbia trasportate dal vento hanno una permeabilità da moderata ad alta, mentre i depositi sabbiosi formati in ambienti fluviali hanno una permeabilità da bassa a moderata. ^{[13] : 418} Le precipitazioni piovose e lo scioglimento delle nevi entrano nelle falde acquifere dove l’acquifero è vicino alla superficie. Le direzioni del flusso delle falde acquifere possono essere determinate da mappe superficiali potenziometriche dei livelli dell’acqua in pozzi e sorgenti. I test dell’acquifero e i test del pozzo possono essere utilizzati con le equazioni di flusso della legge di Darcy per determinare la capacità di un acquifero poroso di convogliare l’acqua. ^{[12] : 177–184}

L’analisi di questo tipo di informazioni su un’area fornisce un’indicazione di quanta acqua può essere pompata senza eccedere il prelievo e di come si sposterà la contaminazione. ^{[12] : 233} Negli acquiferi porosi, le acque sotterranee scorrono come infiltrazioni lente nei pori tra i granelli di sabbia. Una portata di acqua sotterranea di 1 piede al giorno (0,3 m/d) è considerata una portata elevata per gli acquiferi porosi, ^[14] come illustrato dall’acqua che filtra lentamente dall’arenaria nell’immagine di accompagnamento a sinistra.

La porosità è importante, ma, da sola , non determina la capacità di una roccia di agire come acquifero. Le aree dei Deccan Traps (una lava basaltica ) nell’India centro-occidentale sono buoni esempi di formazioni rocciose con elevata porosità ma bassa permeabilità, il che le rende pessime falde acquifere. Allo stesso modo, il gruppo di gesso microporoso ( Cretaceo superiore ) dell’Inghilterra sud-orientale, sebbene abbia una porosità ragionevolmente elevata, ha una bassa permeabilità da grano a grano, con le sue buone caratteristiche di resa idrica dovute principalmente a microfratturazione e fessurazione.

Gli acquiferi carsici si sviluppano tipicamente nel calcare . L’acqua superficiale contenente acido carbonico naturale si sposta verso il basso in piccole fessure nel calcare. Questo acido carbonico dissolve gradualmente il calcare, allargando così le fessure. Le fessure allargate consentono l’ingresso di una maggiore quantità di acqua, il che porta a un progressivo ampliamento delle aperture. Piccole aperture abbondanti immagazzinano una grande quantità di acqua. Le aperture più grandi formano un sistema di condotti che drena l’acquifero verso le sorgenti. ^[15]

La caratterizzazione degli acquiferi carsici richiede l’esplorazione sul campo per individuare doline, inghiottitoi , corsi d’acqua che sprofondano e sorgenti, oltre allo studio delle mappe geologiche . ^{[16] : 4} I metodi idrogeologici convenzionali come i test degli acquiferi e la mappatura potenziometrica non sono sufficienti per caratterizzare la complessità degli acquiferi carsici. Questi metodi di indagine convenzionali devono essere integrati con tracce di colorante , misurazione delle portate delle sorgenti e analisi della chimica dell’acqua. ^[17] La ​​tracciatura dei coloranti dell’US Geological Survey ha determinato che i modelli convenzionali delle acque sotterranee che presuppongono una distribuzione uniforme della porosità non sono applicabili agli acquiferi carsici. ^[18]

L’allineamento lineare di caratteristiche superficiali come segmenti di flusso rettilinei e doline si sviluppa lungo tracce di frattura . Individuare un pozzo in una traccia di frattura o intersezione di tracce di frattura aumenta la probabilità di incontrare una buona produzione di acqua. ^[19] I vuoti negli acquiferi carsici possono essere abbastanza grandi da causare un crollo distruttivo o un cedimento della superficie del terreno che può avviare un rilascio catastrofico di contaminanti. ^{[12] : 3–4} La portata delle acque sotterranee negli acquiferi carsici è molto più rapida che negli acquiferi porosi, come mostrato nell’immagine di accompagnamento a sinistra. Ad esempio, nell’acquifero Barton Springs Edwards, le tracce di colorante hanno misurato le portate delle acque sotterranee carsiche da 0,5 a 7 miglia al giorno (da 0,8 a 11,3 km/giorno). ^[20] Le rapide portate delle acque sotterranee rendono gli acquiferi carsici molto più sensibili alla contaminazione delle acque sotterranee rispetto agli acquiferi porosi. ^{[16] : 1}

Nei casi estremi, l’acqua sotterranea può trovarsi nei fiumi sotterranei (ad esempio nelle grotte sottostanti la topografia carsica ).

Se un’unità rocciosa a bassa porosità è altamente fratturata, può anche costituire un buon acquifero (tramite flusso di fessura ), a condizione che la roccia abbia una conduttività idraulica sufficiente a facilitare il movimento dell’acqua.

Le sfide nell’utilizzo delle acque sotterranee includono: sfruttamento eccessivo (estrazione di acqua sotterranea oltre la resa di equilibrio dell’acquifero), abbassamento del terreno correlato alle acque sotterranee, salinizzazione delle acque sotterranee, inquinamento delle acque sotterranee .

L’esaurimento delle falde acquifere è un problema in alcune aree, specialmente nell’Africa settentrionale , dove un esempio è il progetto Great Manmade River della Libia . Tuttavia, nuovi metodi di gestione delle falde acquifere come la ricarica artificiale e l’iniezione di acque superficiali durante i periodi di pioggia stagionale hanno prolungato la vita di molte falde acquifere di acqua dolce, specialmente negli Stati Uniti.

Il Great Artesian Basin situato in Australia è probabilmente la più grande falda acquifera del mondo ^[22] (oltre 1,7 milioni di km ² o 0,66 milioni di miglia quadrate). Svolge un ruolo importante nell’approvvigionamento idrico del Queensland e di alcune zone remote dell’Australia Meridionale.

I corpi di sabbia discontinui alla base della Formazione McMurray nella regione delle sabbie bituminose di Athabasca nel nord-est dell’Alberta , Canada, sono comunemente chiamati acquiferi di Basal Water Sand (BWS) . ^[23] Saturi d’acqua, sono confinati sotto sabbie impermeabili sature di bitume che vengono sfruttate per recuperare bitume per la produzione di petrolio greggio sintetico . Dove sono profondi e la ricarica avviene dalle formazioni devoniane sottostanti sono salini, e dove sono superficiali e ricaricati da acqua superficiale sono non salini. I BWS in genere pongono problemi per il recupero del bitume, sia tramite estrazione a cielo aperto che tramite metodi in situ come il drenaggio gravitazionale assistito dal vapore (SAGD), e in alcune aree sono obiettivi per l’iniezione di acque reflue. ^{[24] [25] [26]}

L’ acquifero Guarani , situato sotto la superficie di Argentina , Brasile , Paraguay e Uruguay , è uno dei più grandi sistemi acquiferi del mondo ed è un’importante fonte di acqua dolce . ^[27] Prende il nome dal popolo Guarani , copre 1.200.000 km2 ⁽ 460.000 miglia quadrate), con un volume di circa 40.000 km3 ⁽ 9.600 miglia cubi), uno spessore compreso tra 50 e 800 m (160 e 2.620 piedi) e una profondità massima di circa 1.800 m (5.900 piedi).

L’ acquifero di Ogallala degli Stati Uniti centrali è uno dei più grandi acquiferi del mondo, ma in alcuni punti si sta rapidamente esaurendo a causa del crescente uso municipale e del continuo uso agricolo. Questo enorme acquifero, che si trova al di sotto di porzioni di otto stati, contiene principalmente acqua fossile risalente all’epoca dell’ultima glaciazione . Si stima che la ricarica annuale, nelle parti più aride dell’acquifero, sia pari solo al 10 percento circa dei prelievi annuali. Secondo un rapporto del 2013 dello United States Geological Survey (USGS), l’esaurimento tra il 2001 e il 2008, inclusi, è pari a circa il 32 percento dell’esaurimento cumulativo durante l’intero XX secolo. ^[28]

Negli Stati Uniti, i maggiori utilizzatori di acqua dalle falde acquifere includono l’irrigazione agricola e l’estrazione di petrolio e carbone. ^[29] “L’esaurimento totale cumulativo delle falde acquifere negli Stati Uniti ha accelerato alla fine degli anni ’40 e ha continuato a un tasso lineare quasi costante fino alla fine del secolo. Oltre alle conseguenze ambientali ampiamente riconosciute, l’esaurimento delle falde acquifere ha anche un impatto negativo sulla sostenibilità a lungo termine delle riserve di falde acquifere per aiutare a soddisfare le esigenze idriche della nazione”. ^[28]

Un esempio di acquifero carbonatico significativo e sostenibile è l’ acquifero Edwards ^[30] nel Texas centrale . Questo acquifero carbonatico ha storicamente fornito acqua di alta qualità a quasi 2 milioni di persone e, ancora oggi, è pieno a causa dell’enorme ricarica da parte di numerosi corsi d’acqua, fiumi e laghi della zona . Il rischio principale per questa risorsa è lo sviluppo umano sulle aree di ricarica.

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