Le acque sotterranee

L'idrogeologia è la disciplina che studia le acque sotterranee.

Le acque sotterranee rappresentano il 30% delle acque continentali, ma solo lo 0,6% delle acque totali, e sono un'importante fonte di acqua dolce.
Queste sono suddivise in tre gruppi.

• Acque meteoriche. Sono quelle che derivano dalle piogge e costituiscono la maggior parte delle acque circolanti.
• Acque rigenerate. Sono quelle rilasciate dai minerali o dalle rocce sedimentarie porose sottoposte a metamorfismo.
• Acque juvenili o giovanili. Derivano dalla sintesi diretta di idrogeno e ossigeno ad alta temperatura, quando il magma diminuisce la sua pressione diventando lava.

Acqua juvenile. (Crediti: William Waterway (water author/researcher/photographer) - Williamwaterway is a misspelling - proper spelling = William Waterway., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21864571)

Le acque meteoriche penetrano nel terreno, dove scorrono attraverso un mezzo roccioso chiamato acquifero.

Permeabilità

La permeabilità del substrato, cioè la capacità di far passare l'acqua attraverso i pori, sia esso sedimento o roccia coerente, è il fattore che maggiormente condiziona la presenza di acqua nel sottosuolo e dipende principalmente:

• dal grado di fratturazione, cioè dall'esistenza nella roccia compatta di fessurazioni, che favoriscono la penetrazione dell'acqua; difficilmente perciò le rocce superficiali possono essere totalmente impermeabili;
• dalla porosità, cioè dagli spazi vuoti esistenti tra le particelle di un sedimento o di una roccia detritica, o dalla presenza di minuscole cavità nella struttura delle rocce compatte. La porosità delle rocce, espressa come il rapporto percentuale tra lo spazio vuoto e il volume totale della roccia o del sedimento, è molto variabile: i valori massimi si riscontrano nelle rocce sedimentarie incoerenti a grana grossa. La permeabilità è condizionata anche dalle dimensioni dei pori: più sono piccoli, minore è la possibilità di movimento per l'acqua;
• dalla copertura vegetale; infatti, questa favorisce l'assorbimento dell'acqua, mentre un terreno disboscato è compatto per cui diminuisce la porosità e quindi la permeabilità.

Occorre considerare anche la porosità efficace, cioè il rapporto tra l'acqua estratta e il volume totale dell'acqua contenuta nella roccia o nel sedimento, che è sempre minore della porosità perché la tensione superficiale non consente l'estrazione di tutta l'acqua di un serbatoio sotterraneo.
Il rapporto tra la quantità d'acqua trattenuta dalla tensione superficiale e il volume totale dell'acqua si chiama ritenzione specifica: quanto maggiore è la ritenzione specifica, tanto più è difficile estrarre completamente l'acqua.

Si considerano rocce permeabili le rocce con pori e fessurazioni con un diametro tale da permettere all'acqua di circolare (se pur lentamente) e di attraversarle.

Si considerano rocce impermeabili le rocce che, anche quando sono molto porose, hanno pori talmente piccoli che le molecole d'acqua non possono circolare.
Tipico esempio di rocce impermeabili sono le argille, che presentano un volume complessivo dei pori notevolissimo, ma con diametro inferiore al millesimo di millimetro. In queste condizioni la roccia s'imbibisce d'acqua, ma la trattiene non lasciandola percolare.

Capacità di infiltrazione

L'acqua meteorica, giunta al suolo, vi penetra per infiltrazione.

La capacità di infiltrazione (cioè di penetrazione e movimento) dell'acqua meteorica nel sottosuolo dipende da numerosi fattori, che variano da luogo a luogo sulla superficie terrestre:

• la quantità d'acqua disponibile:
• la durata del fenomeno;
• la permeabilità del substrato, cioè la capacità di farsi attraversare dall'acqua (vedi figura sopra);
• il clima, che influenza l'intensità dell'evaporazione e il regime delle precipitazioni;
• la presenza di vegetazione, che sottrae acqua al terreno e la rilascia lentamente consentendone l'infiltrazione;
• la conformazione topografica del territorio, che può facilitare o impedire uno scorrimento veloce dell'acqua.

Le falde acquifere

Dove la superficie del suolo è permeabile, parte delle acque meteoriche si infiltra in profondità, finché non incontra uno strato impermeabile, che ne ferma la discesa. Qui le acque diffondono, se lo strato impermeabile è orizzontale, o ristagnano, se è concavo, e si forma una falda acquifera. Una falda acquifera è uno strato sotterraneo di terreni permeabili, entro cui tutte le cavità, le fessure e i pori sono in permanenza completamente saturi d'acqua.

Esistono due tipi di falde acquifere.

Le falde freatiche sono limitate solo inferiormente da uno strato impermeabile. Il limite superiore dello strato completamente imbevuto d'acqua (strato acquifero) è chiamato superficie freatica; sopra questa si trova la frangia capillare, uno spessore di roccia o sedimento dove una piccola quantità d'acqua risale per capillarità, e ancora più in alto, fino alla superficie, c'è in genere uno strato non saturo (strato di aerazione o strato vadoso) in cui oltre all'acqua è presente anche aria.

Le falde imprigionate, o confinate, sono limitate sia verso l'alto sia verso il basso da uno strato di rocce impermeabili (acquiclusi). Esse vengono alimentate solo dalle acque meteoriche che cadono nell'area in cui lo strato acquifero non è sovrastato da uno strato impermeabile.
L'acqua intrappolata nello strato acquifero si muove come se fosse confinata in una condotta, tanto che la sua pressione può raggiungere livelli elevati. La pressione è tanto più elevata quanto maggiore è il dislivello tra la zona di alimentazione e lo strato acquifero nel sottosuolo.
Tale pressione però non è necessariamente abbastanza elevata da far zampillare l'acqua. Nel caso in cui lo strato impermeabile superiore sia perforato e ci sia una pressione tale da far zampillare l'acqua a una quota superiore a quella del suolo, fino a raggiungere il livello piezometrico, la falda imprigionata è chiamata falda artesiana.
La superficie piezometrica è quella alla quale arriverebbe l'acqua se non vi fosse lo strato impermeabile superiore, dove la pressione è uguale a quella atmosferica.
Nella falda freatica il livello piezometrico coincide con la superficie freatica, mentre in una falda confinata (artesiana) si trova sopra il livello dell'acquifero e indica a quale quota si innalzerebbe l'acqua in un pozzo.
In altre parole, tutte le falde comprese tra due strati impermeabili sono confinate, ma solo le falde artesiane hanno una pressione tale da far risalire l'acqua fino al livello piezometrico.

Movimento delle falde acquifere

La forza di gravità fa muovere le acque sotterranee secondo la legge di Darcy formulata nel 1856 dall'ingegnere francese Henry Darcy (1803 -1858): la velocità con cui l'acqua fluisce nel sottosuolo è direttamente proporzionale al gradiente idraulico, cioè è direttamente proporzionale al dislivello tra due punti e inversamente proporzionale alla loro distanza:

v = k (Δh/Δl)

La costante K indica il coefficiente di permeabilità del mezzo poroso.
Δh è il dislivello tra due punti e Δl è la loro distanza.

La direzione di scorrimento dell'acqua in una falda è determinata dai dislivelli e quindi dalla pressione dell'acqua.
La superficie della falda segue l'andamento della superficie terrestre, perciò è più bassa sotto le zone depresse, per esempio sotto le valli.

Una falda può essere alimentata da un fiume, cioè percolare dal suo letto, ma può anche risalire se la falda si trova molto vicino al letto e la sua pressione è maggiore di quella del fiume.

Le acque sotterranee non rimangono sempre nel sottosuolo ma, dopo un periodo più o meno lungo (settimane, decenni, secoli), giungono al mare dove, vinta la pressione marina, possono sfociare.
Anche l'acqua di mare, però, può incunearsi lungo la costa (cuneo salino), senza mescolarsi con essa. Con il cambiamento climatico e il conseguente innalzamento del livello marino ciò può costituire un serio problema per le coltivazioni.

Le acque delle falde acquifere sono prive di particelle in sospensione, perché, anche le più piccole sono trattenute dalle rocce attraversate. Le acque delle falde profonde sono più fresche e più pure di quelle delle falde superficiali, perché non risentono delle variazioni termiche ambientali e perché, essendo più lungo il cammino sotterraneo che le acque devono compiere, sono di conseguenza meglio filtrate. Pur essendo priva di particelle in sospensione, l'acqua delle falde di norma contiene in soluzione ioni, sostanze organiche e inorganiche, prodotti dell'alterazione chimica delle rocce, che le conferiscono caratteristiche chimiche e organolettiche specifiche.

Pozzi

Le acque delle falde freatiche e imprigionate vengono utilizzate dall'uomo mediante la costruzione rispettivamente di pozzi freatici e pozzi artesiani. I pozzi possono essere profondi fino a poche decine di metri e funzionano con meccanismi diversi secondo le caratteristiche della falda.

Nei pozzi freatici l'acqua resta al livello della superficie freatica, poiché è in condizioni di equilibrio con la pressione atmosferica esterna e portarla a un livello superiore richiede l'uso di pompe.

Nel caso di falde imprigionate, invece, lo strato acquifero è spesso inclinato e l'acqua, sotto pressione, può salire spontaneamente oltre il livello della falda, ma si ferma sotto la superficie. In questo caso si parla di pozzo artesiano saliente. Se invece l'acqua sale fino a zampillare spontaneamente, abbiamo un pozzo artesiano fluente. 
Il livello massimo cui sale l'acqua corrisponde al livello della superficie piezometrica e dipende dalla quota cui si trova la superficie di ricarica.

Le sorgenti

Quando le acque sotterranee tornano spontaneamente in superficie, formano le sorgenti. Le cause di questo fenomeno sono molteplici.

In base alla modalità d'emersione le sorgenti si possono suddividere in:

Sorgenti di deflusso, quando uno strato impermeabile suborizzontale, o inclinato nella stessa direzione, del versante affiora sul fianco di una valle facendo scolare all'esterno l'acqua accumulata nella roccia permeabile soprastante.
Sorgenti di trabocco: l'acqua che si raccoglie nel sottosuolo, sopra uno strato impermeabile concavo verso l'alto (o un sifone), trabocca quando è presente in eccesso.
Sorgenti di sbarramento: si formano quando una barriera impermeabile molto inclinata, come una superficie di faglia, un filone, un'eteropia di facies (un passaggio laterale da una roccia permeabile a una impermeabile depostesi contemporaneamente) obbliga l'acqua ad accumularsi davanti ad essa fino a farle raggiungere la superficie con riversamento all'esterno.
Sorgenti carsiche: nelle cavità sotterranee di origine carsica si raccoglie solitamente molta acqua che fuoriesce quando trova un'apertura verso l'esterno (clicca sull'immagine per vedere il meccanismo).
Sorgenti di depressione. Si verificano quando un avvallamento del terreno viene a trovarsi sotto il livello dell'acquifero, perciò la falda emerge colmando la depressione.
Sorgenti di frattura. Si hanno su un versante fratturato o franoso, in cui l'acqua penetra nelle fenditure finché trova uno sbocco in superficie.
Sorgenti di emergenza: sono dovute all'affioramento, in una zona depressa come una conca naturale o il fondo di una valle, della superficie freatica o di una falda artesiana. Sono di questo tipo le risorgive o fontanili (quando la fuoriuscita è favorita dall'uomo), tipiche della Pianura Padana, e delle pianure alluvionali in genere, che si formano al confine tra l'alta pianura pedemontana, costituita da sedimenti grossolani di origine glaciale e la bassa pianura, formata prevalentemente da sedimenti più fini (sabbie, silt e argille). Le acque delle falde, che si sono formate nell'alta pianura, scorrono verso la bassa pianura, ma quando incontrano i sedimenti meno permeabili ivi presenti, sono costrette a risalire, formando una fascia continua di fontanili (linea delle risorgive), localizzata lungo il confine tra alta e bassa pianura, dal Piemonte sino al Friuli. I fontanili, la cui portata dipende dalla quantità delle precipitazioni, sono stati per molto tempo utilizzati dagli agricoltori per l'irrigazione invernale dei campi di foraggio (marcite), poiché la temperatura delle acque di queste sorgenti è, in quella stagione, relativamente calda (9-12 °C).

Le sorgenti hanno caratteristiche diverse secondo la composizione chimica del terreno, la temperatura e il regime.

Composizione chimica

Alcune acque sotterranee possono venire a contatto con rocce ricche di sali solubili e tornano in superficie ricche di bicarbonati, cloruri, solfuri, ferro ecc. Si parla di sorgenti minerali.

La salinità dipende dalla velocità di percolazione, dal tipo di suolo attraversato, dalla pressione e dal pH.

In base alla concentrazione dei sali minerali, misurabile come residuo fisso a 180 °C, distinguiamo tra acque minimamente mineralizzate (residuo fisso < 50 mg/l), oligominerali (residuo fisso tra 50 e 500 mg/l), minerali (residuo fisso tra 500 e 1500 mg/l), ricche di sali minerali (residuo fisso > 1500 mg/l).
Le acque oligominerali sono le più diffuse in commercio: hanno azione diuretica e sono usate nella prevenzione dei calcoli renali. Le acque minerali hanno un minore effetto diuretico e sono sconsigliate agli ipertesi per la probabile presenza di sodio in eccesso.

Le acque sotterranee più superficiali sono povere di sali, mentre quelle più profonde possono essere salmastre.

Le acque dolci (sono considerate tali quelle con una presenza di sali minerali - il residuo fisso - non superiore a 1,5 g/l) contengono in soluzione ioni e composti chimici, che ne determinano le proprietà organolettiche (sapore, odore, ecc.) e chimiche.

Se il residuo fisso è superiore a 1,5 grammi/litro, l'acqua è salmastra o salata. Le falde hanno acqua salata quando sono alimentate dal mare o da laghi salati oppure sono molto profonde. Infatti, con la profondità aumenta la temperatura (per effetto del gradiente geotermico) e con essa aumenta il potere solvente dell'acqua sulle rocce. Un'altra possibilità è che l'acqua salata sia l'originaria acqua marina contenuta nei sedimenti (acque congenite o connate), rimasta intrappolata in questi quando sono stati portati in profondità per fenomeni di subsidenza, per cause tettoniche o per isostasia. Di solito la salinità delle falde acquifere più profonde è superiore a quella media del mare, arrivando in alcuni casi fino al 175‰.

Un altro parametro importante è la durezza dell'acqua, misurata in gradi francesi (°F), che ci fornisce un'indicazione sulla quantità di carbonato di calcio e di magnesio presenti. È sconsigliabile bere un'acqua troppo dura (oltre i 20-30 °F) perché può favorire la formazione di calcoli renali.

Temperatura

Se consideriamo la temperatura delle acque, le sorgenti si distinguono in fredde (con temperatura inferiore a quella esterna e sempre sotto i 20 °C), subtermali (con temperatura superiore a quella esterna, ma non inferiore a 20 °C), termali (con temperatura superiore a quella esterna e compresa tra 20 °C e 50 °C), acrotermali (con temperatura superiore a 150 °C), di vapore acqueo (soffioni, geyser, fumarole).
L'elevata temperatura di queste acque può dipendere dal fatto che, scendendo in profondità, si sono avvicinate a una massa magmatica non ancora del tutto raffreddata; esse possono anche riscaldarsi semplicemente a causa del gradiente geotermico.

Regime

In base al regime, cioè alla variazione annua della portata - intesa come quantità d'acqua emessa dalla sorgente, misurata in l/s o m³/s quando è notevole -, le sorgenti possono essere distinte in:

• sorgenti perenni, attive per tutto l'anno attraverso la fusione della neve o del ghiaccio;
• sorgenti stagionali, la cui portata varia durante l'anno; sono quelle alimentate dalle piogge;
• sorgenti intermittenti, attive solo saltuariamente, esse comunicano con l'esterno mediante un condotto ripiegato a gomito. L'acqua fuoriesce soltanto quando il suo livello sale oltre tale piega, per esempio dopo un violento acquazzone (si veda la figura delle sorgenti carsiche).

Azione geomorfologica

L'acqua che scorre nel sottosuolo ha un'importante azione di modellamento sulle rocce sedimentarie, calcari in particolare, dando origine al fenomeno carsico.
L'argomento è trattato compiutamente nella pagina successiva.