Il bilancio idrologico e idrogeologico

ll bilancio idrologico analizza i flussi di acqua in ingresso, quelli in uscita, le trasformazioni e i vari livelli di immagazzinamento attraverso i sistemi naturali. In relazione agli obiettivi di indagine è sempre necessaria comunque la definizione della scala alla quale si determina un bilancio, ossia bisogna stabilire il volume di controllo. L’unità territoriale che viene utilizzata normalmente come volume di controllo è quella del bacino idrografico ma può anche essere costituita da solo versante oppure da una semplice parcella di terreno.

Il bilancio idrologico ed idrogeologico alla scala del bacino idrografico

Q_IN = Q_OUT 

Dove Q_IN rappresenta la portata totale in ingresso ovvero la totalità degli AFFLUSSI mentre Q_OUT quella in uscita ovvero la totalità dei DEFLUSSI

Le portate in entrata  superficiali (Q_i) sono costituite dalla precipitazione (P),  mentre quelle sotterranee sono costituite dal flusso sotterraneo (S_i) che può comunque raggiungere la superficie riemergendo in una sorgente.

Q_I  = P_I +  S_i (portata totale in entrata)

P_I (precipitazione)
S_I (portata in entrata sotterranea)

Viene considerata non solo la precipitazione liquida (P_A ) (pioggia) ma anche quella solida ovvero la precipitazione nevosa (P_N) (neve).

P_I = P_N + P_A

P_N = H_N(P) · A  (precipitazione nevosa)
P_A = H_p · A      (precipitazione acquosa)

H_N(P) = H_N · 100  (altezza della neve trasformata in altezza di pioggia) [mm]
H_N                           (altezza della neve)                            [mm]
H_p                           (altezza della pioggia)                         [mm]
A                         (regione considerata)                         [mm²]

oppure

P_I = P_N + P_A= H_i · A = (H_N(P) + H_p) · A              [mm³]

H_{i =} (H_N(P) + H_p)  (altezza totale pioggia)                  [mm]

La precipitazione può entrare nel sistema da qualsiasi punto del bacino, direttamente dalla superficie oppure dalla rete idrografica. Una parte della precipitazione non raggiunge la superficie per effetto dell’intercettazione della vegetazione e viene considerata come immagazzinata dal sistema (I_a).

Il sistema terreno-vegetazione costituisce il serbatoio naturale dell’acqua che non defluisce in tempi brevi verso la rete idrografica. Una piccola parte dell’acqua in afflusso, in superficie, quella di precipitazione viene intercettata immediatamente dalla vegetazione ed immagazzinata, un’altra viene immagazzinata nelle depressioni naturali superficiali. Una parte dell’acqua che defluisce lungo la superficie può essere intercettata e immagazzinata nella rete idrica del bacino costituendo una riserva che bisogna sempre considerare rispetto al bilancio complessivo. Un’altra parte invece rimane intrappolata nel suolo come umidità. Infine una parte dell’acqua si infiltra nel sottosuolo andando ad alimentare gli acquiferi

Q_T = Tv + T_w + T_D + T_SL + T_R

Tv  o I_a (portata immagazzinata dalla vegetazione)
T_w o I_e (portata immagazzinata negli acquiferi)                                     [mm³]
T_D o I_g (portata immagazzinata nel suolo come umidità)                        [mm³]
T_SL(portata immagazzinata dalle depressioni superficiali)                       [mm³]
T_R  (portata immagazzinata nella rete idrica del bacino)                         [mm³]

Ai fini del bilancio idrico T_D, T_R vengono considerati se non in certe condizioni limite, come quando ci si trova in presenza in suoli ad altissima ritenzione idrica oppure si analizza il bilancio di grandi bacini idrografici. Anche, T_V  viene considerato se non in certe condizioni, come quando si ha a che fare con bacini coperte da grande quantità di vegetazione, e comunque viene riunito insieme a  T_SL in uno stesso coefficiente di solito, I_a . Semplificando possiamo definire la portata immagazzinata Q_T nel modo seguente:

Q_T = I_e+ I_a

dove I_e  rappresenta l‘infiltrazione

Portate in uscita (Q_O)

Le portate in uscita sono quelle portate che vengono perse dal sistema per deflusso superficiale sub-superficiale o profondo (Q_OS) e per evapotraspirazione (ETR o E).

                                Q_O = Q_OD + Q_OS + ETR

Q_OD (Portata di deflusso totale alla chiusura del bacino idrografico)
Q_OS (Portata di scorrimento profondo in uscita dal sistema)
ETR (evapotraspirazione)

Il deflusso superficiale o sub-superficiale è determinato dall’acqua che non si infiltra e non evapotraspira per effetto della traspirazione delle piante e dell’evaporazione.

                                          Q_OD = O_R + O_RS

O_R (portata di deflusso superficiale) (o ruscellamento superficiale)
O_RS (deflusso ipodermico) (ruscellamento ipodermico o sub-superficiale)

Il deflusso superficiale e sub-superficiale è anche chiamato ruscellamento (R)

R = Q_OD= O_RS + O_R

Possiamo quindi semplificare il bilancio in uscita

                                  Q_O = R +Q_OS + ETR

La parte di acqua che dal suolo e dalla superficie evapora e quella che entra nel ciclo delle piante e che viene “traspirata” è chiamata acqua di evapotraspirazione. I termini del bilancio per l’evapotraspirazione sono: 

ETR= E_v + T_r

E_v (evaporazione diretta)
T_r (traspirazione)

Possiamo quindi definire la portata d’acqua totale in uscita Q_O:

                               Q_O = R + Q_OS + ETR =R+Q_OS+(E_v + T_r)

Sintesi di bilancio

Sintetizzando i termini del bilancio e considerando le portate sotterranee profonde in entrata praticamente uguali a quelle in uscita, possiamo ottenere la seguente espressione per il bilancio idrologico alla scala del bacino:

Q_I = Q_T + Q_O

P_I +  S_I= (I_e+I_a)+ R  + Q_OS + ETR

S_I ≈ Q_OS

BILANCIO IDROLOGICO TOTALE

P = E + R +I  

oppure

P – I_a – E =  R + I_e

Caratteristiche e obbiettivi dei bilanci idrici

Bilancio idrico naturale 

Per bilancio idrico si intende (D.M. 28 luglio 2004) la comparazione, nel periodo di tempo
considerato, fra le risorse idriche (disponibili o reperibili) in un determinato bacino o
sottobacino, superficiale e sotterraneo, al netto delle risorse necessarie alla conservazione degli ecosistemi acquatici ed i fabbisogni per i diversi usi (esistenti o previsti).

Viene normalmente valutato a scala regionale e su base annua a partire dai dati meteo-climatici (precipitazione e temperatura).

Per sopperire alla mancanza di stazioni ad alta quota, che potrebbe comportare una sottostima della lama d’acqua, i dati normalmente vengono estrapolati mediante leggi di correlazione fra la precipitazione (P) e l’altitudine (h).

Bilancio idrologico 

il bilancio idrologico permette di valutare, per ciascun bacino idrografico, l’entità delle
risorse idriche superficiali disponibili, derivanti sia dai quantitativi d’acqua di
ruscellamento superficiale sia da quelli provenienti dai corpi idrici sotterranei. I valori
del deflusso superficiale derivano pertanto direttamente dalle analisi svolte nel bilancio idrogeologico in quanto, oltre ad una componente dovuta al ruscellamento (data dalla differenza tra le precipitazioni efficaci e l’infiltrazione), vi è una componente del deflusso sotterraneo coincidente con i volumi emergenti dai corpi idrici sotterranei. Per quanto riguarda la distribuzione mensile del ruscellamento, spesso si assume che abbia lo stesso andamento della precipitazione, ovvero che l’aliquota di pioggia che ruscella in superficie scorra nel corso d’acqua nello stesso mese in cui è caduta. Vengono valutate in questo senso e sempre alla scala regionale anche le emergenze in superficie degli acquiferi minori.

Bilancio idrogeologico 

Il bilancio idrogeologico permette di valutare l’entità delle risorse idriche sotterranee disponibili su tutto il bacino idrogeologico, ossia su quella frazione del bacino idrologico posta nel sottosuolo. Permette pertanto di stabilire se i volumi d’acqua siano utilizzabili senza apportare squilibri al bacino idrologico naturale. Mediante il calcolo del bilancio è inoltre possibile effettuare la verifica dello schema di circolazione idrica sotterranea e quindi i limiti idrogeologici proposti. Vi è una parte delle acque sotterranee che transita in acquiferi minori di cui spesso non si hanno a disposizione misure sulle emergenze: per questi acquiferi si assume di solito che il volume medio annuo sia pari al volume calcolato con l’infiltrazione potenziale.

Per la valutazione di I_t è necessario considerare eventuali apporti idrici indiretti naturali (I_{ind (n)}), corrispondenti  in generale a:
– travasi da altri corpi idrici sotterranei (valutati per ogni corpo idrico significativo
secondario);
– alimentazione proveniente da corpi idrici superficiali (rapporti falda-fiume e/o valutazione dei volumi idrici di infiltrazione secondaria all’interno di inghiottitoi).

Nel calcolo del bilancio quindi idrogeologico si deve tener conto quindi di quella quota parte di infiltrazione corrispondente ai travasi tra corpi idrici sotterranei adiacenti e alle acque di ruscellamento sulle principali conche endoreiche, convogliate agli acquiferi mediante inghiottitoi.

Apporti idrici indiretti di origine artificiale (I_{ind (ex)})

Per ciascuno dei corpi idrici sotterranei significativi principali sarà sempre necessario valutare le lame medie di precipitazione (in mm/anno) e di infiltrazione efficace presunta I_p (in mm/anno).

Q_{OUT (ex)}  =  W_w

Q_OUT (s) = Q_{OUT (n)} + Q_{OUT (ex)}

Q_OUT (s) = ETr + S_s + W_w + W_L

Bilancio idrogeologico complessivo

Il bilancio idrogeologico sara dato quindi da:

Q_IN(s) = Q_OUT (s)

I_p + I_{ind (n)} + I_{ind (ex)} =ETr + S_s + W_w + W_L

Verifica del bilancio idrogeologico

Il bilancio idrogeologico si considera in pareggio quando viene soddisfatta la seguente relazione:

Metodo e calibrazione

I Q_IN(s) e i Q_OUT (s) vengono stabiliti per ciascun corpo idrico sotterraneo che viene considerato “chiuso”, ovvero considerando nulli o trascurabili gli interscambi  fra corpi idrici adiacenti. Se gli scarti percentuali di ε risultano maggiori del 10%, può darsi che vi siano stati errori di valutazione dei vari parametri del bilancio oppure del dominio idrogeologico considerato. Un’altra ipotesi è quella della relativa esistenza di prelievi eccedenti la potenzialità del dominio idrogeologico considerato (con conseguente impoverimento più o meno marcato della risorsa).
Nella fase di calibrazione, a vantaggio della sicurezza, il residuo o errore di bilancio (ε) è utilizzato nel modo seguente:

• se Q_IN(s) > Q_OUT (s), il residuo è sottratto a Q_IN(s) (Q_IN(s) (corretto) = Q_IN(s) – ε);
• se Q_IN(s) < Q_OUT (s), il residuo è sottratto a Q_OUT (s) (Q_OUT (s) (corretto) = Q_OUT (s) – ε).

Per distinguere quindi se l’errore sia dovuto ad una eccedenza delle entrate sulle uscite o
viceversa, si traduce il valore di ε in una coppia di valori (ε_I,ε_O) per cui:

• ε_I = ε, se Q_IN(s) > Q_OUT (s)
• ε_I = 0, se Q_IN(s) < Q_OUT (s)
• ε_O= ε, se Q_IN(s) < Q_OUT (s)
• ε_O = 0, Q_IN(s) > Q_OUT (s)

Procedura di calibrazione

La calibrazione ha come obiettivo l’individuazione, per ciascuna delle uscite (sorgenti e/o travasi), della percentuale di volume degli apporti totali al corpo stesso che passa dalla singola uscita e pertanto viene eseguita separatamente per ciascun corpo idrico sotterraneo secondario. E’ da tener presente che se un acquifero riceve acqua per travaso da corpi idrici adiacenti, la sua calibrazione è possibile solo dopo aver risolto il bilancio degli acquiferi che travasano verso di esso. La procedura di calibrazione quindi è strutturata nel seguente modo:

• si assegna a ciascun corpo idrico secondario il valore del residuo (ε_I .ε_O) del gruppo di corpi idrici a cui esso stesso appartiene;
• si individuano sulla carta idrogeologica, i corpi idrici sotterranei secondari di cui sono noti tutti gli apporti in ingresso;
• si calcolano per ciascuno corpo secondario gli apporti idrici per:
  • infiltrazione: si ricava dalla “grid” dell’infiltrazione il volume di infiltrazione al corpo idrico secondario e lo si diminuisce del valore ε_I;
  • travaso da corpi idrici adiacenti;
  • ruscellamento (R) sulle conche endoreiche che alimenta l’acquifero l’acquifero e lo si diminuisce del valore ε_I;

• per ciascuno acquifero secondario si calcolano le uscite da

• • sorgenti (S_s) – si ricava il valore di S_s e lo si diminuisce del valore ε_O;
  • travasi (R_r) – viene ricavato per differenza tra gli apporti totali e gli S_s complessivi (nel caso di travaso verso due o più corpi idrici sotterranei secondari, il volume di travaso verso ciascuno di essi (R_ri ) verso ciascuno di essi viene determinato ripartendo, in modo proporzionale, R_r secondo percentuali ricavate in base alla lunghezza della linea di spartiacque sotterraneo che divide i diversi corpi idrici;
• per ogni uscita (sorgente o travaso che sia) viene ricavato il valore che essa
  percentualmente rappresenta rispetto agli apporti idrici totali del corpo idrico
  considerato.

Dal bilancio medio annuo idrologico ed idrogeologico è possibile ricavare in conclusione i seguenti elementi fondamentali:
• la valutazione dei volumi naturali in afflusso per ciascun corpo idrico sia superficiale sia sotterraneo;
• la valutazione dei volumi idrici derivanti da interscambi tra corpi idrici sotterranei e/o superficiali.