1) PREMESSA
La captazione di acque sotterranee mediante pozzi tubolari è diventata, in questi ultimi anni, una delle principali fonti di alimentazione degli acquedotti grazie alla facilità di reperimento di ottima acqua ed in grandi quantitativi che essa ha reso possibile. I problemi posti nella progettazione, costruzione ed esercizio delle opere non sono però di facile risoluzione essendo estremamente difficile conoscere i fenomeni naturali che regolano la materia anche per effetto della grande varietà che si riscontra nel sottosuolo da una regione all’altra se non, addirittura, da una località a quella vicina. La letteratura tecnica detta alcune regole in ordine alla determinazione della potenzialità della falda, ai criteri da seguire per non depauperarla in maniera eccessiva ed infine per una sua regolare utilizzazione, regole spesso totalmente disattese vuoi per tornaconto vuoi per incompetenza degli utilizzatori. Senza voler sminuirne l’importanza e la validità si indicano nel presente lavoro delle modalità pratiche di semplice attuazione augurandoci che, almeno queste, trovino applicazione nell’esercizio delle opere di presa in argomento.
2) DEFINIZIONI
Falda freatica: strato acquifero, di solito superficiale, nel quale il flusso dell’acqua ha luogo a pelo libero.
Falda artesiana: strato acquifero profondo nel quale il flusso idrico avviene in pressione essendo compreso tra strati impermeabili . La perforazione dello strato superiore ad opera del pozzo provoca la risalita dell’acqua verso l’alto, risalita tanto più elevata quanto maggiore è la pressione di falda. Quando la quota del suolo è inferiore al livello statico della falda artesiana, l’acqua è in grado di sgorgare da sola al suolo. Negli altri casi, e quando si vuole aumentare la portata, l’emungimento deve essere effettuato tramite sollevamento meccanico.
Livello statico di falda: quota piezometrica dell’acqua di falda in corrispondenza del pozzo quando non si ha alcun emungimento dal pozzo medesimo.
Livello dinamico di falda: idem come al punto precedente quando ha luogo l’emungimento.
Depressione di falda: differenza tra livello statico e livello dinamico di falda. Esiste una relazione diretta tra portata e depressione di falda.
Curva caratteristica del pozzo: equazioni matematiche che definiscono la portata emungibile in funzione delle depressioni dinamiche di falda (curva Q/H).
Punto critico della curva caratteristica: è così chiamato il punto di flesso della curva caratteristica del pozzo. Esso definisce il limite massimo di sfruttamento consigliabile per il pozzo allo scopo di evitare il suo danneggiamento.
Cono di depressione: volume d’acqua a forma di un cono rovescio che viene sottratto dalla falda a seguito dell’emungimento del pozzo.
3) CARATTERISTICHE GENERALI DEL POZZO
Forma specificatamente l’oggetto della presente nota il funzionamento idraulico del pozzo artesiano prescindendo completamente dalle sue caratteristiche costruttive la cui descrizione non viene qui nemmeno presa in conto. Basterà dire che il pozzo tipico di cui si discute è formato da una canna per lo più metallica di diametro variabile da 10 a 50 cm, con filtro costituito da semplice fenestratura a ponte nel caso di falda in ghiaia grossa e da rete speciale per pozzi negli altri casi, munito o no di prefiltro in ghiaia o sabbia grossa a seconda delle caratteristiche dello strato acquifero e per profondità variabili da 40 a 500 m. Una sua caratteristica costruttiva fondamentale è data dal fatto che il pozzo qui esaminato attinge acqua da una sola falda.
L’abitudine, purtroppo talvolta messa in atto dai perforatori, di aumentare la producibilità inserendo nella stessa canna più filtri sovrapposti in corrispondenza di altrettante falde costituisce un errore gravissimo in quanto mette in collegamento tra di loro falde aventi diverse caratteristiche di pressione e di qualità dell’acqua con possibili gravissimi danni. Qualora si vogliano sfruttare più falde è necessario costruire altrettanti pozzi anche se ubicati uno vicino all’altro ma ognuno con prelievo su una unica falda.
Elemento fondamentale di conoscenza del pozzo in argomento è la sua curva caratteristica cioè l’equazione matematica che lega la portata emungibile alla depressione di falda necessaria allo scopo, lquazione avente, di solito, le caratteristiche rappresentate graficamente nel diagramma della fig. 1.
Sono riportate nell’asse delle ascisse le portate emungibili ed in quello delle ordinate i corrispondenti livelli di falda e definibili in duplice modo: in quota assoluta o mediante il dislivello tra falda indisturbata e falda sottoposta ad emungimento. E’ quest’ultima grandezza definita con termine tecnico appropriato “depressione di falda” quella da utilizzare. E’ infatti noto come il livello di una falda possa subire importanti variazioni nel tempo a causa della presenza di nuovi prelievi, di particolari condizioni metereologiche che modificano l’alimentazione di falda, ecc.ecc.. E’ quindi privo di senso definire la portata in funzione di valori variabili nel tempo. Al contrario è dimostrato come la funzione che lega la portata emunta con la depressione di falda sia una costante per il pozzo anche quando cambiano le condizioni intrinseche della falda stessa. Ad esempio se, nei periodi di livello statico è elevato, è necessario deprimere la falda di un metro per ottenere una portata di 20 l/sec, la stessa portata si otterrà in altra epoca quando il livello generale di falda si è abbassato per esempio di due metri: La sola condizione “sine qua non” è quella di utilizzare il pozzo, anche in quest’ultimo caso, con la stessa depressione di un metro rispetto al livello statico del momento. La motivazione tecnica di tale corrispondenza và ricercata nel fatto che la portata emungibile dipende essenzialmente dalla scabrezza del mezzo (in questo caso lo strato ghiaioso) attraversato dall’acqua, scabrezza che non varia al variare del livello statico di falda. La modificazione della curva caratteristica può aversi solo in caso di mutamenti nella consistenza del materiale costituente lo strato acquifero (ad esempio a causa di franamento di alcune parti oppure in caso di modificazioni del filtro di presa, per effetto di incrostrazioni nella fenestratura della parete del pozzo o di depositi di materiale che ne ostruiscano la luce).
L’esame della curva caratteristica del pozzo presenta molti aspetti interessanti.
In primo luogo è da notare come la sua prima parte che va dal punto a (livello statico) al punto b (punto critico della curva) sia caratterizzata da un andamento rettilineo (quando il materiale della falda è ghiaioso) o quasi rettilineo (in caso di strati acquiferi costituiti da materiali fini ) il chè sta ad indicare come la portata, limitatamente a tale tratto, sia direttamente proporzionale alla depressione, nel mentre la sua pendenza rispetto agli assi rappresenta la portata specifica emungibile con il pozzo.
Il rilievo del tratto di curva in questione, ripetuto ad intervalli regolari, dà la prova della buona conservazione del pozzo nel tempo o, in caso contrario, del peggioramento delle condizioni dello strato acquifero nelle immediate vicinanze del pozzo o dello stato dei filtri.
Per avere l’indicazione delle condizioni generali di falda occorre invece esaminare l’andamento nel tempo del livello statico di falda cioè del punto a. In regime normale tale livello dovrebbe subire soltanto variazioni cicliche dovute alle condizioni climatiche della zona dove ha luogo l’alimentazione della falda e quindi, ad ogni diminuzione di quota verificantesi in periodi di siccità dovrebbe far sempre seguito un ritorno alle condizioni di quota iniziali. Quando invece le quote precedenti non vengono più ripristinate ma gli abbassamenti aumentano in progressione, si è in presenza di un degrado irreversibile, presumibilmente dovuto a nuovi importanti prelievi d’acqua dalla falda. Il provvedimento che normalmente si adotta per ovviare alla conseguente scarsità di portata, consiste in un progressivo abbassamento del livello dinamico assoluto di falda durante l’emungimento: ciò può aver luogo, in caso di sollevamento meccanico mediante aumento della prevalenza delle pompe, in caso di funzionamento a gravità mediante modifica della bocca di presa. E’ evidente che agendo in tal modo viene innescata una pericolosa spirale di depauperamento della falda in quanto ogni utilizzatore, in pratica, tutela il proprio prelievo sottraendo, tramite detto abbassamento di livello dinamico, una certa portata al vicino. La cosa, ripetuta più e più volte in ciascuna opera di presa esistente, finisce per danneggiare la falda, provocando modificazioni nella consistenza del materasso ghiaioso o sabbioso con i disastrosi risultati che si sono constatati in molte zone ricche di acqua di falda artesiana.
Continuando nell’esame della curva caratteristica del pozzo e precisamente della sua parte inferiore, si noterà come al termine della parte rettilinea prima descritta sia presente una curva marcata cui fa seguito la parte finale caratterizzata da una pendenza molto accentuata e che tende, verso il basso, a diventare ancora più ripida. Tale stato di cose porta a concludere che il campo di lavoro del pozzo deve tassativamente essere quello rappresentato dal tratto rettilineo a-b . Infatti qualora si decidesse di spingere lo sfruttamento del pozzo verso portate superiori non si otterrebbero risultati soddisfacenti anzi, si arriverebbe al paradosso di non ottenere alcun aumento di portata nonostante i successivi aumenti di depressione. Le ragioni sono da ascriversi agli attriti del materasso permeabile o del filtro di presa del pozzo che presentano un limite ben definito oltre il quale non bisogna andare. I risultati pratici che si otterrebbero in tali casi sono il danneggiamento della falda come ad esempio asporto di materiale sabbioso, frane del materiale permeabile e, in ogni caso, dispendio energetico.
La curva caratteristica di cui si discute diventa particolarmente utile quando sia da realizzare un intero campo acquifero. Le caratteristiche del terreno di falda sono infatti variabilissime e, alle volte, anche uno spostamento di alcune decine di metri nell’ubicazione di un pozzo può portare a risultati completamente diversi da quelli che ci si aspetta. E’ allora importante far precedere la costruzione di ogni nuovo pozzo dalla comparazione delle curve caratteristiche di quelli precedentemente eseguiti e spostare il cantiere in continuazione verso le zone che si rivelano migliori. Man mano che si procederà nei lavori saranno in particolare da tenere sotto controllo la pendenza del primo tratto delle curve caratteristiche in quanto sicuro indice della loro portata specifica nonchè la posizione del punto critico poichè da essa dipende, come spiegato, la portata emungibile. Qualora un pozzo denunci caratteristiche chiaramente peggiori degli altri, sarà necessario abbandonarlo non prima di aver proceduto alla sua cementazione onde non depauperare inutilmente la falda, e spostare le ricerche d’acqua in tutt’altra zona.
4) LE PROVE DI PORTATA
Ultimata la costruzione di un pozzo ed eseguiti lo spurgo ed i lavaggi continuati fino ad avere la garanzia che il filtro di presa ed il cono di depressione sono stati depurati del materiale instabile ivi presente come sabbie fini e materiali usati per la terebrazione (fanghi bentonitici ecc.) si deve dar corso alle prove di portata che sono di due tipi:
– prove iniziali da effettuare prima dell’inizio della utilizzazione del pozzo e che sono necessarie per la definizione delle sue caratteristiche;
– prove di controllo da effettuare ad intervalli regolari di due/tre anni onde verificarne lo stato di conservazione.
Tenuto presente che ogni prelievo di acqua sia tramite pompa sommersa e sia, per i pozzi a risalienza naturale, tramite semplice apertura della saracinesca di presa, provoca, nella falda di attingimento, delle modificazioni dinamiche estremamente variabili nel tempo per cui la misura effettuata in tali condizioni di instabilità non darebbe alcuna indicazione utile, le regole da seguire tassativamente nelle operazioni di rilievo del pozzo impongono che l’emungimento della portata di ciascuna misura sia proseguito, senza alcuna ulteriore manovra, fintantocchè da almeno tre rilievi fatti in successione e ad intervalli più o meno lunghi a seconda delle caratteristiche della falda ma in ogni caso non inferiori ad quarto d’ora uno dall’altro, non risultino valori di portata e livello assolutamente identici tra di loro. Ovviamente sono solo questi ultimi i valori definitivi da utilizzare.
Una prova completa, sia del primo che del secondo tipo, deve inoltre essere costituita da almeno 7 o 8 misure condotte secondo le regole citate e con la seguente successione.
Primo punto di misura.
Consiste nella misura del livello statico da effettuare a falda assolutamente indisturbata e quindi dopo un lungo periodo di non utilizzazione del pozzo. Data l’importanza che riveste, l’operazione deve essere effettuata con tutta la cura possibile. Si deve quindi operare tramite misura diretta evitando l’uso di strumenti come i manometri che non offrono sufficienti garanzie di precisione. In caso di pozzi a risalienza naturale si avrà cura di montare un tubo di gomma trasparente verticale con l’estremità alta posta ad altezza superiore al livello massimo raggiungibile dalla falda. Invece il livello, anche molto profondo, all’interno del pozzo può essere rilevato mediante semplice introduzione nella canna di un tondino di ferro da cemento armato.
Misure seguenti.
Fissata la portata massima che si prevede di emungere dal pozzo, si inizierà con un prelievo di circa un quinto di essa ottenuto, nel caso di salienza naturale, mediante semplice apertura parziale della saracinesca di prelievo e, nel caso sia necessario l’uso di una pompa sommersa, mediante avviamento della pompa a bocca chiusa e successiva apertura parziale della saracinesca posta nella mandata. Saranno rilevati il livello falda e la portata emunta. Per la misura del livello si adotteranno le stesse modalità descritte per il rilievo del livello statico mentre per quella della portata sarà da preferire il metodo volumetrico consistente nell’uso si un capace recipiente e di cronometro. In caso di portate rilevanti è consentito l’uso di normali misuratori di portata preventivamente tarati.
Ultimata la prima misura si procederà in modo analogo per le seguenti 4 con successive aperture della saracinesca atte ad aumentare via via il prelievo della stessa quantità fissata in precedenza e cioè di circa 1/5 della portata massima prevedibile. Eseguiti i primi 4 rilievi e quindi raggiunta la portata massima del pozzo, si dovrà continuare nelle misure oltrepassando tale valore con ulteriori due o tre determinazioni in modo da poter conoscere il comportamento della falda anche con emungimento molto spinto. Ciò tornerà utile, come vedremo più avanti, per definire il punto critico di funzionamento del pozzo. A questo punto è possibile tracciare il grafico cartesiano della funzione che lega portata e livello secondo quanto indicato al cap 3. Supponiamo ad esempio di aver costruito un pozzo in falda artesiana avente livello statico pari a 100 msm e che, dalle misure preliminari già effettuate, risulti in grado di dare una portata di circa 30 l/s, Si vogliano determinarne in dettaglio le caratteristiche di producibilità nonchè le regole da seguire per il suo ottimale sfruttamento. Fissato in 8 l/s circa l’intervallo di portata tra una misura e l’altra (circa un quinto della portata massima) si siano rilevati i dati della seguente talbella :
Il grafico, riportato in fig. 1 fornisce tutte le indicazioni del caso. Si nota innanzitutto come il tratto superiore della curva caratteristica che va da zero a 40 l/s circa sia caratterizzato da un tracciato rettilineo il che conferma che nelle portate iniziali esiste una proporzione diretta tra portata emungibile e depressione di falda essendo la portata specifica di circa 6.9 l/sec per metro di depressione. E’ questo l’intervallo da utilizzare per un uso del pozzo atto a conferirne la massima sicurezza di esercizio. Il punto critico ( b ), ubicato al termine del tratto rettilineo, definisce in 40 l/sec circa la portata massima emungibile cui corrisponde una depressione di falda di 5.80 m e quindi un livello, alla data delle misure, pari a 94.20 msm. Per portate superiori a 40 l/s l’aumento anomalo delle perdite di carico del mezzo attraversato dall’acqua è denunciato dalla forma della curva che non è più rettilinea ma diventa parabolica con una impennata verso il basso. Qualora si decidesse di effettuare il prelievo d’acqua in tali condizioni, oltre ad un sicuro dispendio energetico, potrebbe verificarsi instabilità nel materasso acquifero con continuo trasporto di materiali fini e probabili franamenti interni o intasamento dei filtri e quindi il rapido deterioramento del pozzo. Uno sfruttamento corretto consiste invece nel prelevare una portata che garantisca di non oltrepassare in nessun caso il punto critico nemmeno in particolari condizioni di falda quali possono essere per esempio quelle che si riscontrano in periodi eccezionalmente siccitosi. La portata massima consigliabile potrà essere, ad esempio, quella di 35 l/s.
Nel corso degli anni seguenti le prove di portata, da eseguirsi con le stesse modalità sopra descritte, dovranno essere ripetute ad intervalli regolari di quattro o cinque anni. Si avrà modo così di confermare il buono stato del pozzo oppure, in caso di falda in via di deterioramento, di definire le nuove condizioni ottimali di sfruttamento. Normalmente e se vengono rispettate le cautele citate, la curva portata/depressione si mantiene assolutamente costante nel tempo. Ciò che è soggetto a facili cambiamenti è il livello statico della falda il quale, sia a causa di nuovi prelievi, sia per particolari condizioni metereologiche, può subire dei cali anche importanti. Potrà ad esempio accadere che, ferma restando la curva caratteristica, il livello statico del pozzo sia passato dai 100 msm iniziali a 98 msm. In tal caso si potrà comunque continuare a prelevare la portata ottimale di 35 l/s a condizione che il corrispondente livello dinamico di falda, in precedenza pari a 95 msm, sia modificato portandolo, tramite una nuova pompa più potente della precedente, a 93 msm necessari affinchè venga mantenuta la stessa depressione di falda di 5 m necessaria e sufficiente perchè il pozzo, anche con il nuovo livello statico, possa fornire tale portata.
5) CONCLUSIONI
Si sono descritte le prove da effettuare per conoscere e tenere sotto controllo i pozzi artesiani. In particolare si è spiegato come definire il punto critico che stabilisce quali sono i limiti massimi di emungimento dell’acqua. Si tratta di proposte della massima semplicità e comprensione che l’autore della nota ha personalmente sperimentato in più realtà acquedottistiche trovandole di facile attuazione pratica e di sicuro risultato per cui, senza voler nulla togliere alle ben più importanti e complesse determinazioni riportate nella letteratura tecnica in questo campo, ne consiglia caldamente l’attuazione.
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