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63
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 1 (2012)
© Casa Editrice Università La Sapienza
www.ijege.uniroma1.it
DOI: 10.4408/IJEGE.2012-01.O-05
L
etizia
FUMAGALLI
(*)
&
t
uLLia
BONOMI
(*)
(*)
Università degli Studi Milano-Bicocca, Dipartimento di Scienze dell’Ambiente e del Territorio - Piazza della Scienza 1, 20126 Milano, Italy
Email: letizia.fumagalli@unimib.it
MODELLIZZAZIONE DELLA ZONA NON SATURA PER LA STIMA
DELLA RICARICA DELLA FALDA
MODELLING THE UNSATURATED ZONE FOR ASSESSING
GROUNDWATER RECHARGE
RIASSUNTO
Una metodologia per la stima della ricarica zenitale della falda
è stata sperimentata su un’area di pianura lombarda compresa tra
il Fiume Ticino e il Fiume Oglio. Essa è basata sull’utilizzo del
codice numerico Macro (J
arvis
, 1994) in scenari di simulazione
caratterizzati da profili di terreno differenti per suolo, spessore e
litologia dell’insaturo e situazioni climatico-colturali. La metodica
è stata testata su profili campione in un settore dell’area (provin-
cia di Milano) mediante confronto con le misure di oscillazione del
livello freatico. L’applicazione della metodologia sull’intera area
d’interesse, effettuata per il periodo 1980-2005, ha considerato suo-
li rappresentativi e due scenari diversi per clima e soggiacenza. La
ricarica giornaliera simulata, più elevata nell’alta e media pianura
fluvioglaciale, mostra un trend temporale in crescita in conformità
con il trend pluviometrico ed un regime sfalsato rispetto alle preci-
pitazioni nell’ordine del mese. Viene valutato l’effetto della presen-
za di aree impermeabilizzate per urbanizzazione con effetti variabili
in funzione dell’area e dell’intensità dell’urbanizzazione.
T
ermini
chiave
: ricarica della falda, modelli di flusso insaturo, MACRO, Pia-
nura Lombarda
INTRODUZIONE
E’ stata messa a punto e sperimentata una metodologia per la sti-
ma della voce di bilancio relativa alla ricarica della falda da eventi
meteorici che, basandosi su un approccio modellistico, considera le
variabili climatiche, le tipologie di suolo, lo spessore della zona non
satura e l’uso del suolo.
La metodologia è stata applicata nell’area di pianura lombarda
compresa tra il Fiume Ticino e il Fiume Oglio (Pianura Padana, Ita-
lia) per un periodo temporale di 26 anni (1980-2005) e si è basata
sulla simulazione del bilancio idrico di profili di suolo e zona vadosa
mediante il codice numerico Macro (J
arvis
, 1994) valutando la per-
colazione alla base degli stessi.
Il modello Macro è stato prescelto in quanto determina il flusso
non stazionario nell’insaturo considerandone il bilancio idrico com-
plessivo, l’intercettazione dalla pioggia da parte del suolo e della ve-
getazione, il prelievo radicale. In particolare è capace di considerare
ABSTRACT
A methodology for assessing the zenithal groundwater recharge
was tested over an area of the Lombardy Plain between the rivers Ti-
cino and Oglio (northern Italy). This estimation system is based on the
use of the Macro numerical code (J
arvis
, 1994) in simulation scenar-
ios characterised by lithological profiles differing for the type of soil,
thickness, geology of the unsaturated zone, climate conditions and
farming practices. This methodology was previously tested on sample
profiles in a portion of the Milan Province by comparing the fluctua-
tion measurements of the water table. It was carried out on the whole
study area in the 1980-2005 period, taking into account representa-
tive soils and two different situations as regards climate and depth of
the water table. The simulated daily recharge, which was higher in
the mid- and high fluvioglacial plain, showed an increasing temporal
trend in conformity with the pluviometric trend and a regime dephased
by about one month with respect to precipitation. The effect of the
presence of impermeable areas due to urban expansion is also assessed
as a function of the area surveyed and the rate of development.
K
ey
words
: groundwater recharge, models of unsaturated flow, MACRO,
Lombardy Plain
INTRODUCTION
A methodology for assessing groundwater recharge from mete-
orological events was developed and tested. It is based on a model
taking into account climate variables, types of soil, thickness of the
unsaturated zone and use of soil.
This investigation method was applied in the area of the
Lombardy Plain situated between the rivers Ticino and Oglio (Po
Plain, Italy) over a period of 26 years (1980-2005). In particular,
it is based on the simulation of the water balance of soil pro-
files and percolation zone by means of the Macro numerical code
(J
arvis
, 1994), estimating the amount of percolation at the bottom
of the soil profiles.
The Macro model was chosen since it can determine the non-
steady flow within the unsaturated layer, considering the total water
balance, precipitation interception by soil and vegetation and root
suction. This model is capable of considering the influence of ma-
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MODELLIZZAZIONE DELLA ZONA NON SATURA PER LA STIMA DELLA RICARICA DELLA FALDA
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L. F
umagalli
& T. B
onomi
croporosity on water flow amount. It has also proved to be reliable
in previous applications in the Po Plain (M
antovi
et alii, 2004, 2006;
M
archetti
et alii, 2000, 2006; u
ngaro
& c
aLzoLari
, 2000).
The aim of the research was to estimate groundwater recharge
and its temporal-areal changes over an area which had been previ-
ously studied with respect to the effects induced by variations of the
water balance parameters on groundwater resources (Riclic-Warm
Project, Regional Impact of Climatic Change in Lombardy Water Re-
sources: Modelling and applications) (B
onoMi
et alii, 2007).
The elaboration of a simplified conceptual model on the variables
present in this territory was carried out and tested on soil samples
from the northern portion (Milan Province) prior to its application to
all of the study area.
BACKGROUND
In the past few years, applications of specific methodologies
for analysing flow and transport in the unsaturated zone have un-
dergone considerable development, owing to the following needs:
to assess the intrinsic and specific vulnerability of groundwater to
pollutants; to identify the patterns of percolation of pollutants; to
acquire information on the dynamics of nitrates, in order to define
Action Programmes for groundwater protection (F
uMagaLLi
et alii,
2008); to assess aquifer recharge. The latter has aroused growing
concern since the late 1980s due to greater awareness of the im-
portance of groundwater management. Recently, this concern has
increased, following the occurrence of several drought periods as-
sociated with a growing demand for water resources. Indeed, main-
taining a “Minimum Sustainable Level” of groundwater resources
implies the definition of management plans based on the knowledge
of changes in the amount of water withdrawal and recharge at a
regional level over space and time.
The assessment of groundwater recharge at a regional level is
based on indirect methods, among which the most frequently used
are water balance models, sometimes areally aggregated (r
ushton
& W
ard
, 1979) or in single catchments (W
iLBy
et alii, 1994). These
models ignore the parameters linked to vegetation and hydraulic char-
acteristics of soils owing to their areal variability, although these fac-
tors are of paramount importance in assessing groundwater recharge
(F
inch
, 1998). In order to assess drainage underneath the root zone,
modelling of the unsaturated zone was recently applied following
the progress of calculation techniques and compilation of numerical
codes which solve Richards’ equation, among which worthy of note
are: HYDRUS-1D/2D (s
iMunek
et alii, 1996), VS2DT (L
appaLa
et
alii, 1987; h
sieh
et alii, 2000), UNSAT (F
ayer
, 2000). These allow
recharge estimates over long times to be obtained, thanks to the availa-
bility of climate data, although it is always important to know the areal
distribution of hydraulic parameters of soil and vegetation (r
ockoLd
et alii, 1995). Furthermore, the effect that double porosity can play on
groundwater recharge in some soils is not negligible (s
MetteM
, 1987).
l’influenza della macroporosità nel determinare l’entità del flusso
idrico ed ha dimostrato una buona affidabilità in precedenti sperimen-
tazioni in Pianura Padana (M
antovi
et alii, 2004, 2006; M
archetti
et
alii, 2000, 2006; u
ngaro
& c
aLzoLari
2000).
Il lavoro ha l’obiettivo di stimare la ricarica della falda e le sue
variazioni temporali-areali in un’area oggetto di un precedente studio
mirato alla valutazione degli effetti delle variazioni di termini del bi-
lancio idrico sulla risorsa idrica sotterranea (Progetto Riclic-Warm,
Regional Impact of Climatic Change in Lombardy Water Resources:
Modelling and applications) (B
onoMi
et alii, 2007).
L’applicazione della metodologia all’area d’interesse è stata ef-
fettuata previa predisposizione di un modello concettuale semplifica-
to rappresentativo delle variabili in gioco nell’area ed è stata verifica-
ta in suoli campione nel settore settentrionale (provincia di Milano).
BACKGROUND
Le applicazioni di metodologie specifiche per l’analisi del flusso
e del trasporto nella zona non satura hanno conosciuto negli ultimi
anni sviluppi legati alla necessità di valutare la vulnerabilità intrinse-
ca e specifica delle acque sotterranee alla contaminazione, individua-
re le modalità di percolazione degli inquinanti, dare indicazioni sulla
dinamica dei nitrati per la definizione di Programmi d’Azione rivolti
alla protezione della qualità delle acque sotterranee (F
uMagaLLi
et
alii, 2008) e, non ultimo, valutare la ricarica degli acquiferi. Quest’ul-
timo aspetto ha suscitato un interesse crescente a partire dalla fine
degli anni 1980 in risposta ad una maggiore attenzione rivolta alla
gestione delle acque sotterranee, ed ha assunto carattere di urgenza
negli ultimi anni in relazione al verificarsi di successioni di anni sic-
citosi concomitanti ad una crescita continua della domanda idrica. Il
mantenimento del “Livello Minimo Sostenibile” della risorsa idrica
sotterranea comporta infatti la definizione di piani gestionali basati
sulla conoscenza dell’entità e della variazioni spazio-temporali sia
dei prelievi quanto della ricarica a livello regionale.
La valutazione della ricarica a scala regionale si basa su metodi indi-
retti e tra questi ampiamente utilzzati sono i modelli di bilancio idrico, ta-
lora aggregati arealmente (r
ushton
& W
ard
, 1979) o per bacino (W
iLBy
et alii, 1994). Vengono in essi trascurati i parametri legati alla vegetazio-
ne e alle caratteristiche idrauliche dei suoli a causa della loro variabilità
areale, parametri che rivestono notevole importanza sulla valutazione
della ricarica (F
inch
, 1998). La modellizzazione della zona non satura per
valutare il drenaggio al di sotto della zona radicale è stato recentemente
applicato in seguito ai progressi delle tecniche di calcolo e alla compila-
zione di codici numerici che risolvono l’equazione di Richards; tra i quali
si citano HYDRUS-1D/2D (s
iMunek
et alii., 1996) VS2DT (L
appaLa
et
alii., 1987; h
sieh
et alii., 2000) UNSAT (F
ayer
, 2000). Essi permettono
di ottenere stime della ricarica su tempi lunghi, in funzione della dispo-
nibilità di dati climatici, ma rimane comunque importante conoscere la
distribuzione areale dei parametri idraulici del suolo e della vegetazione
(r
ockoLd
et alii, 1995). Inoltre non trascurbile è l’effetto che la doppia
porosità può assumere in alcuni suoli sulla ricarica (s
MetteM
, 1987).
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MODELLING THE UNSATURATED ZONE FOR ASSESSING GROUNDWATER RECHARGE
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 1 (2012)
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Rispetto al passato, attualmente molti dati sono stati raccolti in ban-
che dati e sistemi informativi territoriali che costituiscono una fonte
preziosa d’informazioni relativamente a suolo, zona vadosa ed acque
sotterranee. In particolare per quanto concerne i suoli esse contengono
i dati fisici di base relativi alle singole unità, ma pochi e rari sono i dati
idraulici a causa del costo effettivo e temporale delle misure. Tuttavia
le diverse misure e sperimentazioni, effettuate in campi appositamente
attrezzati al fine di meglio capire i fenomeni d’interesse, hanno consen-
tito la validazione di modelli specifici per l’insaturo, l’individuazione
di modalità indirette di valutazione dei parametri idraulici e la calibra-
zione di parametri colturali. In particolare per il modello Macro utiliz-
zato nel presente studio, sono state calibrate e validate pedofunzioni di
trasferimento, termine introdotto da Bouma nel 1989, su set di dati di
suolo specifici della pianura padana (u
ngaro
& c
aLzoLari
, 1997; u
n
-
garo
et alii, 2005), che consentono la definizione dei parametri idrau-
lici del suolo e un miglior utilizzo delle banche dati ai fini modellistici.
MODELLO NUMERICO
Macro (J
arvis
, 1994) è un modello monodimesionale determi-
nistico a doppia conducibilità che simula il flusso idrico transitorio
in suoli stratificati considerando, oltre alle caratteristiche del terreno,
anche gli effetti della presenza di vegetazione, quali intercettazione
della chioma e prelievo idrico da parte delle radici.
Caratteristica del modello è quella di essere in grado di considerare
l’eventuale presenza di macroporosità; infatti suddivide la porosità to-
tale in due domini di flusso, micropori e macropori, separati da un valo-
re limite di contenuto idrico-potenziale. I due domini sono caratterizza-
ti ognuno da un proprio contenuto idrico e da una proprio flusso idrico.
Il flusso nei micropori viene descritto mediante l’equazione di
Richards e le proprietà idrauliche del suolo sono rappresentate dal-
le funzioni (1) di B
rooks
& c
orey
(1964), per quanto riguarda il
potenziale matriciale ψ
mi
(m), e (2) di M
uaLeM
(1976), per quanto
riguarda la conducibilità idraulica K
mi
(m/s). Le relazioni di governo
sono le seguenti:
Nelle relazioni S
mi
(-) è la saturazione effettiva dei micropori (3),
θ
mi
(-) il contenuto idrico della matrice, θ
b
(-) e θ
r
(-) rispettivamente i
contenuti idrici massimo e residuale nei micropori, ψ
b
(m) rappresenta
la pressione d’ingresso dell’aria, ossia il potenziale corrispondente a
θ
b
, λ (-) è l’indice di distribuzione delle dimensioni dei pori, K
b
(m/s)
la conducibilità satura dei micropori ed n (-) il fattore di tortuosità.
Il flusso verticale nei macropori è di tipo laminare-gravitativo,
secondo la legge di Darcy, con gradiente unitario, e la conducibilità
idraulica in condizioni di non saturazione K
ma
(m/s) è rappresentata
da una legge di potenza (4) (B
even
g
erMann
, 1981) essendo S
ma
(-) la
saturazione dei macropori (5), θ
ma
(-) il contenuto idrico dei macropo-
ri, θ
s
(-) e K
s
(m/s) rispettivamente il contenuto idrico e la conducibi-
lità idraulica a saturazione dei macropori, quest’ultima misurabile in
campo, ed n (-) un indice legato alla distribuzione dei pori.
Up to now, a great amount of data has been retrieved from database
and geographical information systems (GIS) which are an important
source of information on soils, percolation zones and groundwater. In
particular, as regards soils, these systems contain the basic physical
data relative to single units, whereas hydraulic data are rare and scarce,
owing to the cost of measurements in time and money. Nevertheless,
in order to better understand the phenomena involved, various meas-
urements and tests have been carried out in adequately equipped fields,
validating specific models for the unsaturated zone, the elaboration of
indirect methods for assessing hydraulic parameters and the calibra-
tion of parameters related to farming activities. In particular, regarding
the Macro model utilised in this study, pedological transfer functions
(a term introduced by Bouma in 1989) were calibrated and validated
on a set of soil data typical of the Po Plain (u
ngaro
& c
aLzoLari
,
1997; u
ngaro
et alii, 2005), allowing soil hydraulic parameters to be
defined and database to be better utilised for modelling purposes.
NUMERICAL MODELLING
Macro (J
arvis
, 1994) is a double-conductivity one-dimensional
deterministic model which simulates transitory water flow through
stratified soils by taking into account not only soil characteristics but
also the effects of vegetation, such as interception by canopy and wa-
ter withdrawal by root networks.
This model considers the possible presence of macroporosity. In
fact, it subdivides total porosity into two flow domains, micropores
and macropores, separated by a boundary value of potential water
amount. The two domains are each characterised by specific water
content and water flow.
Flow in the micropores is described by means of Richard’s
equation whereas the hydraulic soil properties are represented by
B
rooks
& c
orey
(1964) as functions (1), as regards the matrix
potential ψ
mi
(m), and by M
uaLeM
(1976) as a function (2), as
regards hydraulic conductivity K
mi
(m/s). The relations governing
the flow are therefore:
In these equations S
mi
(-) is the actual saturation of the micropores
(3), θ
mi
(-) is the matrix water content, θ
b
(-) and θ
r
(-) are the maximum
and residual water contents, respectively. In the micropores, ψ
b
(m) is
the inflow air pressure, which is the potential corresponding to θ
b
, λ (-)
is the distribution index of the pore dimensions, K
b
(m/s) is the saturat-
ed water conductivity of the micropores and n (-) is the tortuosity index.
The vertical flow in the macropores is of the laminar-gravitational
flow type, according to Darcy’s law, with unit gradient, and hydraulic
conductivity in non-saturation conditions K
ma
(m/s) is represented by
a power law (4) (B
even
g
erMann
, 1981). According to this law, S
ma
(-) is macropore saturation (5), θ
ma
(-) is water content of the macro-
pores, θ
s
(-) and K
s
(m/s) is the water content and hydraulic conduc-
tivity in saturation conditions (the latter is measurable in the field),
and n (-) is an index linked to pore distribution.
(1)
(2)
(3)
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MODELLIZZAZIONE DELLA ZONA NON SATURA PER LA STIMA DELLA RICARICA DELLA FALDA
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L. F
umagalli
& T. B
onomi
Gli scambi laterali tra i due domini sono legati alla diffusività
dell’acqua in assenza di gravità.
La pioggia netta in superficie risulta divisa in due aliquote, una
delle quali interessa i micropori mentre, come conseguenza della loro
capacità di infiltrazione limite, quella in eccesso interessa i macropori.
Variabili guida del modello sono i dati giornalieri climatici
relativi a precipitazione, temperatura ed evapotraspirazione po-
tenziale ET
0
(mm•d
-1
). Nel presente caso, avendo a disposizione
per lunghi periodi i soli dati termo-pluviometrici, quest’ultima è
stata stimata mediante la formula di h
argreaves
& s
aMani
(1994)
espressa dalla relazione (6):
in cui Ra (mm•d
-1
)è la radiazione solare extraterreste, T e ΔT(°C) ri-
spettivamente la temperatura media giornaliera e l’escursione termica
media gioraliera.
AREA DI STUDIO
L’area di studio, che ha un’estensione di 7367 km
2
(Fig. 1),
rappresenta il settore della pianura lombarda che dall’area pede-
montana si estende fino al Fiume Po ed è delimitato dai Fiumi
Ticino ad ovest ed Oglio ad est. Collinare nell’estremità settentrio-
nale, con quote attorno a 300 m s.l.m., l’area è per lo più pianeg-
giante nel settore centrale e meridionale, passando nei due casi a
quote di 80-100 m e di 20-30 m s.l.m.
I Fiumi principali, Ticino, Adda ed Oglio, scorrono con dire-
zione Nord Sud nel tratto settentrionale, Ovest-Nord-Ovest, Est-
Sud-Est in quello meridionale. Tutti i fiumi incidono la morfologia
del territorio, in particolare nel settore settentrionale.
Lateral exchanges between the two domains are linked to water
diffusiveness in the absence of gravity.
Net precipitation on the ground is divided into two amounts, one of
which affects the micropores whereas the other, being in excess, affects
the macropores as a consequence of their infiltration capacity limit.
In this model, daily climate data concerning precipitation, tem-
perature and potential evapotranspiration ET
0
(mm•d
-1
), are the guide
variables. In our case, since only temperature-pluviometric data were
available over long periods of time, potential evapotranspiration ET0
was estimated by means of the formula by h
argreaves
& s
aMani
(1994), expressed by the following ratio (6):
where Ra (mm•d
-1
) is extraterrestrial solar radiation, T and ΔT(°C)
are the mean daily temperature and the mean daily temperature
range, respectively.
STUDY AREA
The study area, comprising over 7367 km
2
(Fig. 1), corre-
sponds to the Lombardy Plain sector, which stretches from the
Alpine foothills as far as the River Po and is bounded by the River
Ticino to the west and the River Oglio to the east. The northern-
most part of the study area is characterised by gentle hills, with
altitudes up to 300 m a.s.l., whereas the central and southern parts
are prevalently flat with altitudes of 20-30 m a.s.l.
The main rivers (Ticino, Adda and Oglio) flow from N to S in
the northern part and from WNW to ESE in the southern part. All
the rivers are active geomorphological agents, cutting through soil
deposits, especially in the northern part of the area.
(4)
(5)
(6)
Fig. 1 - Inquadramento dell’area e tessitura media dei suoli (A: argillo-
so, L: limoso, F: franco, S: sabbioso)
- Location of the study area and soil classification (average tex-
ture of soils: “A” clayey, “L” silty, “F” loamy, “S”: sandy)
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MODELLING THE UNSATURATED ZONE FOR ASSESSING GROUNDWATER RECHARGE
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 1 (2012)
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Dal punto di vista geologico affiorano sedimenti quaternari, per
lo più fluvioglaciali, con terrazzi antichi (mindeliani e rissiani) e ta-
lora ferretizzati nel settore settentrionale; si differenziano un’alta pia-
nura ghiaioso sabbiosa e una bassa pianura a tessitura fine. Idrogeo-
logicamente parlando l’area settentrionale, interessata da depositi più
grossolani, è sede di un acquifero monostrato superficiale nel quale
l’incremento delle litologie fini verso sud ed in profondità determina
la presenza di acquiferi compartimentati alimentati dal settore setten-
trionale (c
avaLLin
et alii, 1983; B
eretta
et alii, 1992).
La relazione con i corsi d’acqua superficiali indica un effetto dre-
nante da parte dei medesimi per cui la ricarica non è legata ad apporti
fluviali. Per contro, i numerosi canali irrigui presenti esercitano, quan-
do attivi, forti influenze positive sul livello piezometrico, sia come
conseguenza diretta delle irrigazioni, sia per le perdite stesse lungo i
canali. La limitata conoscenza di tali apporti non ha al momento con-
sentito una valutazione dell’aliquota di ricarica ad essi imputabile.
L’area, soprattutto nella parte settentrionale, è intensamente urba-
nizzata, uso del suolo che ne determina una forte impermeabilizzazione.
MATERIALI E METODI
Il profilo comprendente il suolo e la zona vadosa rappresenta l’unità
di simulazione sulla quale vengono valutati gli effetti che le condizioni
strutturali, fisico-idrauliche e climatico-agronomiche hanno sulla perco-
lazione alla base dello stesso profilo, ossia sulla ricarica dell’acquifero.
In tale profilo il suolo costituisce i primi 2 metri, mentre la sot-
tostante zona vadosa presenta spessore variabile in funzione della
soggiacenza della falda. Le caratteristiche geometriche, tessiturali e
di conducibilità del suolo sono derivate dai dati raccolti nella banca
dati pedologica (ERSAF), relativamente alla quale è rappresentata
in Fig.2 la distribuzione della Unità Tipologiche di Suolo (UTS). Le
caratteristiche della zona vadosa sono invece derivate da una banca
dati di pozzi (TANGRAM, B
onoMi
, 1995; B
onoMi
et alii, 2009), che
raccoglie le stratigrafie di quasi 20.000 pozzi nell’area d’interesse.
From the geological viewpoint, Quaternary sediments, mainly
fluvioglacial, crop out, with ancient fluvial terraces (Mindel and Riss)
sometimes ferretized in the northern portion. A gravely-sandy upper
plain is distinguished from a silty-clay lower plain. Hydrogeologi-
cally speaking, the northern portion - characterised by coarser depos-
its - is regarded as an superficial undifferentiated monostratum which,
with a progressive increase of finer sediments to the south and with
depth, turns into a typical multicompartmental aquifer in the lower
open plain (c
avaLLin
et alii, 1983; B
eretta
et alii, 1992).
The relationship with watercourses shows a draining effect by
the rivers; therefore recharge is not caused by river feeding. On the
contrary, the numerous irrigational canals present all over the area
exert a strong positive influence on the piezometric level. This is at-
tained both as a consequence of irrigations and water losses along the
canals. The incomplete knowledge of these water supplies has not yet
allowed the recharge amount due to canals to be properly assessed.
The intense urban development of the study area, especially in its
northern part, has made the soil largely impermeable.
MATERIALS AND METHODS
The profile comprising the soil and the vadose zone represents
the simulation unit on which the effects of the structural, physico-
hydraulic and climatic-agronomic conditions on the percolation at the
profile, that is on groundwater recharge, are calculated.
In this profile the soil makes up the first two metres of thickness
whereas the underlying vadose zone is of varying thickness depend-
ing on the depth of the water table. The geometrical, textural and
conductivity characteristics of the soil are derived from the regional
pedological database (ERSAF), and Fig. 2 shows the distribution of
soil type units (UTS), while the characteristics of the vadose zone
are taken from a database of wells (Tangram database: B
onoMi
,
1995; B
onoMi
et alii, 2009), which collect the stratigraphy of nearly
20,000 wells found in the study area.
Fig. 2 - Distribuzione areale delle 100 Unità Tipologiche di Suolo (UTS)
e sagoma dell’area campione (Provincia di Milano, cui appartiene
amministrativamente il comune di San Colomano al Lambro)
- Areal distribution of the 100 Soil Typological Units (UTS) and bound-
ary of the sample area (blue line, corresponding to the Province of Mi-
lan, to which the Municipality of San Colombano al Lambro belongs).
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L. F
umagalli
& T. B
onomi
Da tali banche dati sono stati tratti, per ogni unità di suolo, i dati
relativi alla tessitura (scheletro, sabbia, limo ed argilla in percentua-
le), di carbonio organico e delle classi di conducibilità dei singoli
orizzonti, per la zona vadosa sono state desunte dalle stratigrafie le
composizioni granulometriche e da dati di letteratura i relativi valori
di conducibilità (F
reeze
& c
herry
, 1979; F
etter
,1994).
Le caratteristiche del suolo appaiono preponderanti nel definire il
rapporto tra infiltrazione e ruscellamento ed influenzare l’entità della
ricarica; per tale ragione i singoli profili di simulazione sono stati
individuati sulla base della distribuzione delle UTS; esse inoltre pre-
sentano una variabilità areale delle caratteristiche tessiturali superiore
alla variabilità granulometrica della zona vadosa.
Considerando la presenza di 100 UTS nell’area, ed i considerevoli
tempi necessari per effettuare le simulazioni per ogni singolo profilo, sono
stati individuati per la simulazione n. 39 suoli rappresentativi, e quindi
n.39 profili di simulazione, basandosi sul duplice criterio dell’estensione
areale dell’unità e della tessitura media del profilo di suolo.
In base al primo criterio sono stati inclusi nelle simulazioni tutti i
suoli di estensione areale superiore a 90 km²; in base al secondo cri-
terio i restanti profili sono stati raggruppati in funzione delle similitu-
dini tessiturali e, per ogni gruppo, è stato prescelto quello a maggiore
estensione areale; sono comunque stati considerati tutti i suoli che pre-
sentassero caratteristiche estreme rispetto a quelle medie dei gruppi.
Come risultato, le 39 unità di suolo rappresentative ottenute inte-
ressano un’area di 5.472 km², mentre 61 unità di suolo, per un’area di
1.895 km², sono state assimilate alle prime (Fig. 3).
Per quanto riguarda le caratteristiche della zona vadosa, sono sta-
te considerate tre tipologie di composizione granulometrica: nell’area
dell’alta pianura settentrionale esse sono rappresentate da ghiaie e
sabbie per la pianura e da ghiaie, sabbie e argille per le aree più an-
tiche terrazzate; nella bassa e media pianura è stata considerata una
composizione sabbiosa.
Sulla base delle caratteristiche tessiturali e granulometriche sopra-
descritte sono state stimate le proprietà degli orizzonti di suolo e zona
vadosa, quali densità e caratteristiche fisico-idrauliche, mediante pedo-
The data concerning texture (skeleton, sand, silt and clay in per-
centage), the presence of organic carbon and the conductivity classes
of single horizons were taken from these data banks for each soil unit.
As regards the vadose zone, the particle size distribution of the single
soil classes were taken from stratigraphies and the related conductivi-
ty values from literature data (F
reeze
& c
herry
, 1979; F
etter
, 1994).
Soil characteristics seem to be predominant in defining the ratio
between infiltration and runoff and in influencing the amount of re-
charge. For this reason single simulation profiles were identified on
the basis of UTS (soil type unit) distribution, which shows an areal
variability of textural characteristics higher than the particle-size
distribution of the vadose zone.
Considering the presence of 100 UTS in the area, and the consider-
able time necessary for carrying out a simulation for each single profile,
39 representative soils were identified and, therefore, 39 simulation
profiles. The latter were chosen on the basis of the twofold criterion of
areal extension of the unit and average texture of the soil profile.
On the basis of the former criterion, all soils with an areal ex-
tent over 90 km² were included in the simulations. On the basis of
the latter criterion the remaining profiles were grouped according to
textural similarities and, within each group, the largest profile was
chosen. All soils showing “extreme” characteristics with respect to
the groups’ average were taken into account.
As a result, the 39 representative soil units cover a total area of
5.472 km², whereas 61 soil units, corresponding to an area of 1.895
km², were related to the former (Fig. 3).
As regards the characteristics of the vadose zone, three types of
particle-size composition were considered: in the upper plain area
they are represented by gravel and sand whereas the oldest terraced
areas are assimilated to sand and clay. On the other hand, a sandy
composition was considered in the mid-lower plain.
On the basis of the aforementioned textural and particle-size
characteristics, the properties of the soil horizons and the vadose
zone (such as density and physico-hydraulic features) were esti-
mated by means of pedological transfer functions. The latter were
Fig. 3 - Scelta dei suoli per la simulazione: estensione delle UTS scelte per la
simulazione (in blu) ed estensione delle UTS assimilate a unità scelte
(in magenta), con istogramma di frequenza degli areali delle unità.
- Choice of soils for simulation: extent of the UTSs chosen for simula-
tion (in blue) and of the UTSs considered similar to the chosen units
(in magenta), with frequency histograms of the unit areas.
background image
MODELLING THE UNSATURATED ZONE FOR ASSESSING GROUNDWATER RECHARGE
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funzioni di trasferimento. Le pedofunzioni utilizzate sono state calibra-
te e validate per il modello Macro nell’ambito del Progetto SINA su
set di dati e sperimentazioni relativi alla Pianura Padana (c
aLzoLari
et
alii, 2001a, 2001b; u
ngaro
& c
aLzoLari
, 2001; u
ngaro
et alii, 2005).
In Fig.4 sono rappresentate le curve di ritenzione relative agli
orizzonti di quattro diverse UTS, che ben evidenziano i differenti
comportamenti degli orizzonti nella variazione di contenuto idrico
con il variare del potenziale di matrice in funzione della rispettiva
tessitura: in particolare le tessiture più grossolane presentano valori di
pressione d’ingresso dell’aria inferiori ai 10 cm di suzione.
Per quanto concerne le variabili guida delle simulazioni, rappre-
sentate dai dati climatici, sono stati analizzati i dati registrati nelle di-
verse stazioni termo-pluviometriche presenti nell’area. Tra queste sono
state selezionate due stazioni caratterizzate da periodi di registrazione
sufficientemente lunghi e rappresentative di differenti fasce climatiche
della pianura: la stazione di Monza (163 m s.l.m., inizio funzionamento
1978), nella porzione settentrionale dell’area, e quella di Cremona (50
m s.l.m., inizio funzionamento 1951), nella porzione meridionale.
Il clima nelle due stazioni si differenzia per entità e distribuzione
delle precipitazioni (Fig. 5A e 5B): le medie del periodo sono rispetti-
calibrated and validated for the Macro model within the framework
of the SINA Project on a set of data and tests regarding the Po Plain
(c
aLzoLari
et alii, 2001a, 2001b; u
ngaro
& c
aLzoLari
, 2001; u
n
-
garo
et alii, 2005).
Fig. 4 shows the retention curves regarding the horizons of four
different UTSs. These clearly pinpoint the different behaviour of the
horizons regarding the change of water content with matrix poten-
tial as a function of their respective texture: in particular, the coarser
textures have air-entry potential values lower than 10 cm of suction.
The guide variables of simulations are represented by climate
data. Data recorded in the meteorological stations present in the area
were analysed. Two of the stations with sufficiently long recording pe-
riods which are representative of different climatic belts of the plain,
were selected: Monza meteorological station (163 m a.s.l., recording
since 1978) in the area’s upper part, and Cremona meteorological sta-
tion (50 m a.s.l., recording since 1951) in the area’s lower part.
According to these two stations, the climate in the two areas
varies in the amount and distribution of precipitation (Figs. 5A and
5B). Mean precipitation values in the period considered are 1108
mm/year in Monza and 770 mm/year in Cremona. They both show
Fig. 4 - Curve di ritenzione degli orizzonti pe-
dologici di alcuni profili di UTS
- Retention curves of soil horizons of
some UTS profiles
Fig. 5 - Regime delle termo-pluviometrico nelle stazioni d’interesse: A) stazione di Monza; B) stazione di Cremona
- Temperature-precipitation regime in meteorological stations examined: A) Monza; B) Cremona
background image
MODELLIZZAZIONE DELLA ZONA NON SATURA PER LA STIMA DELLA RICARICA DELLA FALDA
70
L. F
umagalli
& T. B
onomi
vamente di 1108 mm/anno per Monza e di 770 mm/anno per Cremo-
na, ed entrambe presentano precipitazioni maggiori nel periodo 1992-
2005 rispetto al periodo precedente considerato (1980-1991). Mentre il
regime delle precipitazioni a Cremona presenta, per entrambi i periodi,
un massimo assoluto nel periodo autunnale (102.3 ottobre 1980-1991;
120.5 ottobre 1992-2005) e relativo in quello primaverile, a Monza si
osserva uno spostamento, dal primo al secondo periodo, del massimo
assoluto dalla primavera (148.6 mm maggio 1980-1991) all’autunno
(144.6 mm settembre 1992-2005); sempre a Monza rilevanti appaio-
no inoltre le precipitazioni temporalesche di agosto (109.3 mm 1980-
2005). Per quanto riguarda le temperature, queste sono molto simili
su tutta l’area, con medie di 13.6 °C a Monza e di 13.7°C a Cremona,
ma si osserva una crescita delle stesse nel periodo 1992-2005 di circa
1°C passando da un valore medio di 13.0, 13.1°C del 1980-1991 a un
valore medio di 14.2°C nel periodo 1992-2005
La scelta delle due stazioni ha condotto a suddividere l’area in
due settori, settentrionale e meridionale, separati dalla linea in Fig.
6, rispettivamente influenzate dal clima di Monza e di Cremona. La
medesima suddivisione è stata utilizzata ai fini della definizione del-
lo spessore del profilo, definito sulla base della soggiacenza media,
considerato uniformemente di 20 m per l’area settentrionale (pede-
montana e di alta pianura) e di 7 m per quella meridionale (media e
bassa pianura). In futuro s’intende considerare un numero maggiore
di stazioni e di classi di spessori del profilo al fine di meglio detta-
gliare i risultati sull’area.
Per quanto riguarda l’uso del suolo, è stato scelto di simulare la
presenza di prato perenne su tutta l’area, cautelativa rispetto ad un
suolo nudo o una coltivazione irrigua, tipo mais, relativamente ai qua-
li il flusso alla base dei profili risulterebbe superiore.
La valutazione della ricarica nell’area non ha al momento con-
siderato l’influenza delle irrigazioni, in quanto non è stato possibile
regionalizzare gli apporti irrigui nell’area.
L’effetto della presenza di aree urbanizzate è stato considerato
in un secondo momento, ipotizzando che su tali aree l’infiltrazione
higher precipitation values in the 1992-2005 period with respect
to the previous period considered (1980-1991). Whereas the pre-
cipitation regime in Cremona shows, for both periods, an absolute
maximum in the autumn (102.3 mm October 1980-1991; 120.5
mm October 1992-2005) and a relative maximum in the spring, in
Monza a deviation is observed from the first to the second period,
with an absolute maximum in the spring (148.6 mm May 1980-
1991) and a relative one in the autumn (144.6 mm September 1992-
2005). For Monza, the rainstorms of August (109.3 mm 1980-2005)
are particularly relevant. Temperatures are quite similar in all the
study area, with average values of 13.6 °C in Monza and 13.7 °C
in Cremona. In addition, a temperature increase of about 1 °C is
observed in the 1992-2005 period, from a mean value of 13.1 °C
(1980-1991) to 14.2 °C (1992-2005).
The choice of these two meteorological stations led us to subdi-
vide the area into two sectors, northern and southern, separated by the
line shown in Fig. 6, which are influenced by the climate of Monza
and Cremona, respectively. The same subdivision was used for defin-
ing thickness classes that were identified for the profiles on the basis
of the mean depth of the water table. The thickness classes thus cho-
sen were considered uniform in the two areas, producing a value of 20
m in the northern sector (foothills and upper plain) and of 7 m in the
southern sector (mid-lower plain). A higher number of stations and
profile thickness classes have been planned for the future, in order to
produce a more detailed picture of all the area.
Regarding soil use, the presence of perennial meadowland was
simulated for all the area. This is a cautionary choice compared with
bare soil or irrigated crops, such as maize, since in these cases the
profiles’ bottom flows would be higher.
So far, estimating the recharge in the study area has not taken into
account the influence of irrigation, since it has not been possible to
calculate the water input resulting from this practice.
The effect of urban areas was considered only in a second phase
of the investigations, assuming that in developed areas infiltration
Fig. 6 - Carta della soggiacenza e suddivisione nei settori setten-
trionale e meridionale, che si differenziano per lo spessore
medio del profilo (20 e 7 m) e per la stazione meteorologica
di riferimento (Monza e Cremona)
- Map of the water table depth and subdivision in the north-
ern and southern sectors. They differ for the average profile
thickness (20 and 7 m, respectively) and for the meteorolog-
ical reference station (Monza and Cremona, respectively)
background image
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sia il 5% di quella teorica simulata. La percentuale utilizzata è solo
indicativa di una impermeabilizzazione alta in un contesto di elevato
grado di collettamento degli scarichi. Non considera quindi eventuali
infiltrazioni che possono verificarsi in tali aree, anche legate alla rete
acquedottistica, che pure determinano apporti idrici alla falda.
I profili sono stati considerati di n.10 strati, suddivisi in modo
da rispettare le caratteristiche del suolo e zona vadosa presenti
nell’area, di spessori variabili da da 3 a 75 cm. La presenza di spes-
sori sottili in superficie migliora le prestazioni del modello, ne de-
riva che singoli orizzonti pedologici in superficie possano risultare
suddivisi in due o più strati.
Nella simulazione è stato considerato un gradiente verticale uni-
tario nel profilo ed è stato posto, come condizione iniziale, un conte-
nuto idrico pari alla capacità di campo dei singoli strati.
Tra gli output del modello, rappresentati dalle voci del bilancio
idrico del suolo e della coltura a scala giornaliera, è stata considerata la
percolazione alla base del profilo, considerata quale ricarica della falda.
VERIFICA DELLA METODOLOGIA SU PROFILI
CAMPIONE
L’applicazione della metodologia e le risposte del modello sono
state analizzate e valutate in corrispondenza di tre profili campione,
scelti tra profili analizzati appartenenti ad aree asciutte ed irrigue del
territorio della provincia di Milano. I tre profili (suoli TCC1 a Mug-
giò, CNN a Masate, GRD1 a Melzo) sono caratterizzati da differenti
situazioni pedologiche, geologiche ed idrogeologiche, in quanto ap-
partenenti, rispettivamente, ad un terrazzo ferretizzato, all’alta pia-
nura fluvioglaciale ed alla bassa pianura idromorfa. I dati di livello
piezometrico, relativi ai pozzi presenti in prossimità delle aree pre-
scelte, sono stati raccolti ed analizzati.
Le caratteristiche del suolo e della zona vadosa sono state rispetti-
vamente derivate dalle descrizioni in letteratura (e
rsaF
, 1999) e dalle
stratigrafie dei pozzi presenti nell’area. Lo spessore della zona non
is 5% of the value obtained by theoretical simulation. The percent-
age utilised is only indicative of rather impermeable soil in a context
characterised by a high density of sewers. Therefore, possible infiltra-
tion in these areas is neglected, although it is well known that leaks
from water supply pipelines and other forms of infiltration can take
place and feed the groundwater.
The profiles chosen are constituted by 10 layers, subdivided in
order to respect soil characteristics and the vadose zone. These layers
have a thickness of 3 to 75 cm. The presence of thin layers on the sur-
face improves the model’s reliability. As a consequence, single pedo-
logical horizons at the surface may be divided into two or more layers.
The simulation was also based on a single vertical gradient and,
as a starting condition, a water content equal to the field capacity of
the single layers was chosen.
As well as the soil’s daily water balance outputs, the model
showed percolation at the bottom of the profile that we considered
the groundwater recharge.
TESTING THE METHODOLOGY ON SAMPLE
PROFILES
The application of this methodology and the response of the mod-
el were analysed and assessed on three sample profiles, chosen from
among the profiles of both dry and irrigated areas of the Province of
Milan. These three profiles (soils TCC1 in Muggiò, CNN in Masate,
GRD1 in Melzo) are characterised by different pedological, geologi-
cal and hydrogeological situations, since they are from a ferretized
terrace, the high fluvioglacial plain and the low hydromorphic plain.
Data have also been collected and analysed concerning the piezomet-
ric levels of wells located in proximity of the chosen areas.
The characteristics of the soils were defined after descriptions
from specific literature (e
rsaF
, 1999) whereas those of the vadose
zone resulted from the stratigraphy of the wells found in the study
area. The thickness of the unsaturated zone was estimated on the basis
Fig. 7 - Profili di verifica della metodologia (area campione: provincia
di Milano). Carta delle unità di pedopaesaggio (ERSAF, 1999)
P- substrato roccioso (B basale; V fodivalle); M- anfiteatri mo-
renici (A antichi, I intermedi, R recenti); L- piana fluvioglaciale
(G ghiaiosa, Q idromorfa, F sabbiosa); V- valli alluvionali (T al-
luvioni antiche, A alluvionabili, P alluvioni pedoappenniniche)
- Methodology test profiles (sample area: Province of Milan).
Map of pedological units (ERSAF, 1999): P - bedrock (B basal;
V valley floor); M - moraine deposits (A ancient, I intermediate,
R recent); L - fluvioglacial plain (G gravel, Q hydromorphic, F
sand); V - alluvial valleys (T ancient alluvial deposits, A areas
subject to flooding, P - foot of the Apennine alluvial deposits)
background image
MODELLIZZAZIONE DELLA ZONA NON SATURA PER LA STIMA DELLA RICARICA DELLA FALDA
72
L. F
umagalli
& T. B
onomi
satura, valutato in base ai livelli piezometrici, è rispettivamente di 40,
20 e 6 m nelle tre aree, Muggiò, Masate, Melzo (Fig. 7).
Sulla base delle pedofunzioni di trasferimento (c
aLzoLari
et alii,
2001a, 2001b; u
ngaro
& c
aLzoLari
, 2001; u
ngaro
et alii, 2005)
sono stati determinati i parametri idraulici e le curve di ritenzione.
Le simulazioni sono state effettuate utilizzando le condizioni clima-
tiche delle stazioni meteorologiche di Monza, per il periodo 1978-2005,
e di Milano-Brera, per il periodo 1971-2005, e diversi usi del suolo
(nudo e con coltura), col fine di valutare l’effetto delle diverse caratte-
ristiche tessiturali e di spessore sulla percolazione alla base dei profili.
Dai risultati ottenuti è stato possibile osservare come le caratteri-
stiche tessiturali del suolo, ed in minor misura la granulometria della
zona vadosa, incidano in modo rilevante sull’entità della ricarica: per
i terrazzi mindeliani, di tessitura fine, essa vale il 29% della precipita-
zione, mentre nella pianura fluvioglaciale e nella pianura idromorfa,
di tessitura più grossolana, ne rappresenta rispettivamente il 65% e il
55%. In queste due ultime simulazioni il diverso valore di soggiacen-
za della falda (6 m e 20 m) non influisce tanto sull’entità della ricarica
quanto piuttosto sulla modalità di arrivo in falda, più impulsivo al
diminuire della soggiacenza. La presenza di vegetazione, nel caso di
simulazione di mais (irriguo nel periodo aprile-settembre), determina
un’evapotraspirazione che riduce la percolazione nella pianura flu-
vioglaciale dal 65% al 43%.
Per quanto concerne il rapporto tra ricarica e precipitazioni, si
osserva una coincidenza tra gli eventi di ricarica e periodi di rilevante
precipitazione, per esempio negli anni ’50 e ’70.
Una valutazione della metodica adottata è stata effettuata me-
diante confronto tra l’andamento temporale della ricarica e quello
dell’oscillazione piezometrica nei due siti più settentrionali (Muggiò
e Masate), non interessati dall’irrigazione, relativamente alla quale i
dati disponibili sono comunque incompleti (Fig. 8A, 8B): si osserva
una buona congruenza tra andamenti della ricarica e della piezome-
of the piezometric levels and resulted to be 40, 20 and 6 m, respec-
tively, in the three areas surveyed, Muggiò, Masate, Melzo (Fig. 7).
The hydraulic parameters and the retention curves were deter-
mined on the basis of the pedological transfer functions (c
aLzoLari
et
alii, 2001a, 2001b; u
ngaro
& c
aLzoLari
, 2001; u
ngaro
et alii, 2005).
Simulations were carried out by utilising the climate conditions
of the Monza meteorological gauge, in the 1978-2005 period, and
of Milano-Brera, in the 1971-2005 period. Furthermore, diverse soil
conditions (bare or covered with crops) were considered in order to
assess the effect of the different textural and thickness characteristics
on percolation at the bottom of profiles in different cases.
From the results obtained, it is possible to observe how soil texture
characteristics and, to a lesser degree, particle-size distribution in the
vadose zone considerably affect the amount of recharge: in the fine-
textured ferretized terraces recharge is 29% of precipitation, whereas
in the coarse-textured fluvioglacial and hydromorphic plains recharge
is 65% and 55% of precipitation, respectively. In the latter two simula-
tions the different values of water table depth (6 m and 20 m) do not
affect so much the amount of recharge but rather the pattern through
which percolation water reaches groundwater, which is more impulsive
as the depth of the water table decreases. The presence of vegetation,
using maize as a crop in the simulation (an irrigated crop, growing in
the April-September period), affects evapotranspiration which, in turn,
reduces percolation in the fluvioglacial plain from 65% to 43%.
As regards the relationship between recharge and precipitation, a
coincidence between recharge events and periods of intense precipi-
tation is observed, for example in the 1950s and 1970s.
Evaluation of the methodology adopted was carried out by com-
paring the temporal recharge trend with piezometric fluctuations in
the two northernmost sites (Muggiò and Masate), which were not af-
fected by irrigation. Even if they had an incomplete sets of data (Figs.
8A and 8B), good congruence was observed between recharge and
Fig. 8 - Relazione tra andamento temporale della ricarica per i profili campione e misure piezometriche in pozzi prossimi. Le linee continue rappresentano la
ricarica e la sua media mobile con intervallo di 12 mesi; le serie di punti rappresentano i livelli piezometrici dei pozzi in legenda. A) Masate, stazione
meteorologica di simulazione di Milano Brera (1971-2005), distanza media dai pozzi: 26 km; B) Muggiò, stazione metereologica di simulazione di Monza
(1979-2005) distanza media dai pozzi: 4km
- Relationship between temporal recharge in sample profiles and piezometric measurements in proximal wells. Continuous lines represent recharge and its mobile
mean with interval of 12 months; series with dots represent the piezometric levels of the wells in the legend: A) Masate, Milano Brera simulation meteorological
station (1971-2005), average distance from wells 26 km; B) Muggiò, Monza simulation meteorological station (1979-2005), average distance from wells 4 km
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piezometric trends, which improves when the meteorological station
chosen for simulation appears to be closer to the tray well where pi-
ezometric levels are measured. Furthermore, this shows how the areal
variation of precipitation influences the trend of the water table.
A second assessment is based on the quantification of the ground-
water input/output balance in the two sites considered. This was ob-
tained by means of the summation of the positive fluctuations of the
piezometric level, which were considered as “input”, with the nega-
tive fluctuations, which were considered as “output”. Since the in-
put values in these sites are due to recharge linked to precipitation,
and considering also that the amount of piezometric fluctuations is
a function of aquifer porosity, which is its specific yield, a back-es-
timation of aquifer porosity was carried out. This parameter is taken
as the porosity for which simulated recharge is equal to cumulated
groundwater input, which affects the fluctuations of the water level.
In the fluvioglacial plain areas porosity is 22.6%, and 14.7% in the
ferretized fluvial terraces. Although this porosity value corresponds
to the lowermost limit, since the level is influenced also by upstream
flow, the congruence of these values with the gravely-sandy and
gravely-sandy-clayey characteristics of the two sites supports the va-
lidity of the calculation method adopted.
Hence, the overall groundwater balance obtained by comparing
the cumulated input with the cumulated output, as deduced from the
piezometric trend, would be positive in the first case and negative in
the second, with an increase of some 15,000 m
3
/ha in the plain area
in the 1978-2005 period, and a loss of some 10,000 m
3
/ha in the fer-
retized terraces during the same observation period.
RESULTS
As regards the whole study area, results show higher percola-
tion in the northern sector (Fig. 9), as a consequence of both the
coarser soil texture and the greater amount of precipitation. This
fact is quite important since, as it is well known, these are the areas
where recharge of both the local superficial aquifer and the more
tria, tanto migliore quanto più la stazione meteo scelta per la simu-
lazione si avvicina al pozzo di misura del livello piezometrico, indi-
ce questo, dell’influenza della variazione areale delle precipitazioni
sull’andamento della falda.
Una seconda valutazione si basa sulla quantificazione del bilancio
entrate-uscite della falda nei due siti ottenuta attraverso la somma-
toria delle oscillazioni positive del livello piezometrico, considera-
te come “entrate”, e di quelle negative, che invece rappresentano le
“uscite”. Poichè per tali siti le entrate sono rappresentate dalla rica-
rica legata alla precipitazione, e considerando che l’entità dell’oscil-
lazione piezometrica è funzione della porosità dell’acquifero, ossia
della sua capacità d’immagazzinamento, è stata stimata a ritroso la
porosità dell’acquifero, intesa come la porosità per la quale la ricarica
simulata risulta identica alle entrate in falda cumulate che ne deter-
minano la variazione di livello. Per le aree di pianura fluvioglaciale
la porosità risulta essere del 22.6%, mentre per quelle di terrazzo fer-
retizzato del 14.7%; sebbene tale valore di porosità rappresenti un
limite inferiore, in quanto il livello viene infuenzato anche dal flusso
da monte, la congruenza di tali valori con le caratteristiche rispettiva-
mente ghiaioso-sabbiose e ghiaioso-sabbioso-argillose dell’acquifero
nei due siti sostiene la validità del metodo.
Con tali premesse, il bilancio complessivo della falda ottenuto
confrontando le entrate cumulate e le uscite cumulate dedotte dall’an-
damento piezometrico, risulterebbe, positivo nel primo caso e negati-
vo nel secondo, con un guadagno dal 1978 al 2005 per l’area di pia-
nura di circa 15.000 m
3
/ha ed una perdita per l’area in corrispondenza
dei terrazzi di circa 10.000 m
3
/ha.
RISULTATI
Relativamente all’intera area d’interesse, i risultati indicano
un’infiltrazione maggiore per le aree settentrionali (Fig. 9), in ragione
sia della tessitura più grossolana dei suoli, sia della maggiore intensi-
tà delle precipitazioni. Ciò costituisce un fatto importante in quanto,
come noto, tali aree sono quelle che idrologicamente rappresentano la
Fig. 9 - Distribuzione areale della ricarica simulata: uso del
suolo a prato stabile
- Areal distribution of simulated recharge: use of soil
as stable meadow
background image
MODELLIZZAZIONE DELLA ZONA NON SATURA PER LA STIMA DELLA RICARICA DELLA FALDA
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umagalli
& T. B
onomi
zona di ricarica dell’acquifero superficiale locale e di quelli confinati
più meridionali, che rappresentano l’unica riserva di acqua idropota-
bile per tutto il settore meridionale.
Le distribuzioni mensili delle precipitazioni e delle corrisponden-
ti percolazioni alla base dei profili di simulazione nell’area settentrio-
nale (Fig. 10A) ed in quella meridionale (Fig. 10B) evidenziano l’in-
fluenza nelle due aree del regime pluviometrico: le risposte più veloci
della percolazione alle precipitazioni intense nell’area settentrionale,
visibili per esempio nel 1993 e nel 2002, possono essere attribuiti sia
ad un più elevato contenuto idrico medio dei suoli nell’area setten-
trionale legato alla maggiore entità delle precipitazioni, sia all’inten-
sità stessa dei singoli eventi che favorisce la ricarica.
Il trend del periodo sui valori annuali di precipitazione e di ricari-
ca appare positivo (Fig.11A e 11B) e si osserva uno scarto apparente
tra i picchi dei due fenomeni di circa 1 anno.
In realtà l’analisi del regime della ricarica (Fig. 12A e 12B), con-
frontato con quello già commentato delle precipitazioni (Fig.5), con-
sente di osservare uno scarto medio di circa 3-4 mesi tra i due eventi,
distal confined aquifers of the southern sector take place. In the lat-
ter area, these confined aquifers make up the only available reserve
of groundwater for water supply purposes.
The monthly distribution of precipitation and the correspond-
ing percolation at the bottom of the simulation profiles in the north-
ern area (Fig. 10A) and in the southern area (Fig. 10B) pinpoint the
influence of the pluviometric regime in the two areas. The quicker
response of percolation to intense precipitation in the northern area
(clearly observable, for example, in 1993 and 2002) can be ascribed
to both a higher mean water content of the soils linked to the greater
amount of precipitation and the intensity of the single meteoric events
which favour recharge.
The trend of this period on the annual values of precipitation and
recharge appears positive (Figs. 11A and 11B) and an apparent de-
viation of about 1 year between the peaks of the two phenomena is
observed.
As a matter of fact, the analysis of the recharge regime (Figs. 12A
and 12B), compared with the previously discussed precipitation trend
Fig. 10 - Distribuzione mensile delle precipitazioni, in grigio, e relative percolazioni alla base dei singoli profili: i colori si riferiscono ai 39 profili simulati. A) area
settentrionale; B) area meridionale
- Monthly distribution of precipitation (in grey) and relative percolation values at the bottom of single profiles; colours refer to 39 simulated profiles. A)
northern area; B) southern area
Fig. 11 - Trend annuali della ricarica per diverse UTS di suolo (in colore) e trend delle precipitazioni (in nero) per il periodo di simulazione: A) area settentrionale;
B) area meridionale
- Annual recharge trends for different soil UTSs (in colour) and precipitation trend (in black) for the simulation period: A) northern area; B) southern area
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(Fig. 5), allows the observation of an average deviation of some 3-4
months between the two events. As a consequence, the maximum au-
tumn precipitation peaks of September-November turn into a winter-
spring percolation in January-March.
On the whole, a mean recharge of 275 mm/year is observed in the
northern area and a mean recharge of 56 mm/year in the southern one.
The efficiency of precipitation with respect to recharge is high-
er in the autumn-winter period than in the spring-summer period,
owing to both higher soil’s water content and lower temperature
and evapotranspiration. This fact appears evident in Fig. 13: in
February-March in both areas the highest ratio between recharge
and precipitation was recorded; this is particularly relevant in the
northern area, where precipitation is higher and the amount lost
for evapotranspiration lower.
Also the effect of urban development on groundwater recharge
was assessed, considering that this specific use of the soil is par-
per cui i massimi di precipitazione autunnali di settembre-novembre si
traducono in una percolazione invernale-primaverile di gennaio-marzo.
Si osserva nel complesso una ricarica media di 275 mm/anno
nell’area settentrionale ed una rivarica di 56 mm/anno in quella me-
ridionale.
L’efficacia delle precipitazioni rispetto alla ricarica è maggiore
nel periodo autunnale-invernale rispetto a quello primaverile-estivo,
in ragione sia dell’elevato contenuto idrico del terreno sia delle mino-
ri temperatura ed evapotraspirazione. Questo appare infatti evidente
in Fig. 13: a febbraio-marzo in entrambe le aree si ha il rapporto più
elevato tra ricarica e precipitazioni e questo appare particolarmente
rilevante nell’area settentrionale dove le precipitazioni sono maggiori
e l’aliquota persa per evapotraspirazione minore.
Si è voluto valutare l’effetto che l’urbanizzazione ha sulla rica-
rica dell’area, al fine di evidenziarne un possibile impatto di un uso
del suolo particolarmente esteso nel territorio in esame (Fig. 14). A
Fig. 12 - Analisi del regime medio mensile della ricarica per periodi temporali parziali (1980-1991 e 1992-2005) e per il periodo totale (1980-2005). A) area setten-
trionale; B) area meridionale
- Analysis of mean monthly recharge regime for partial temporal periods (1980-1991 and 1992-2005) and for the total period (1980-2005). A) northern
area; B) southern area.
Fig. 13 - Percentuale della ricarica rispetto alle precipitazioni per periodi temporali parziali (1980-1991 e 1992-2005) e per il periodo totale (1980-2005). A) area
settentrionale; B) area meridionale
- Percentage of recharge compared with precipitation for partial temporal periods (1980-1991 and 1992-2005) and for the total period (1980-2005). A)
northern area; B) southern area
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ticularly widespread in the study area (Fig. 14). For this purpose
the fraction of developed area was subtracted from the total area,
assigning to it a recharge equal to 5% of the theoretical simulated
recharge for the same area.
The amount of percolation was chosen on the basis of an analysis
on the Curve Number (CN) values (United States Department of Ag-
riculture, 1986), calculating the extent of the developed area on the
basis of the Regional Ordnance Survey Map (Carta Tecnica Region-
ale) at a 1:10,000 scale.
Some studies in literature emphasize the possibility that in cor-
respondence with urban areas an increase rather than a decrease of
recharge might take place. This would result from the discharge of
water on the soil, the reduction of evapotranspiration, losses from
the water pipelines that run across the area (F
oster
et alii, 1993).
Nevertheless, in this study we wanted to estimate the effect of wide-
spread soil waterproofing in an area which is characterised by well
developed water-supply and sewage services found all over the areas
surveyed. In particular, water-supply networks usually show a higher
efficiency; for example, in Milan groundwater losses are reduced to
about 12% whereas sewage pipelines discharge their water directly
into surface watercourses downstream of the urban centres.
Nevertheless, this research did not take into account the effect
that exceptionally intense meteoric events might have on sewage wa-
ter losses and on superficial infiltration, or the effect resulting from
the decrease of evapotranspiration. Indeed, these factors might have a
non negligible importance on the overall balance.
Hence, the amount of simulated infiltration appears as consid-
erably reduced (Fig. 15), especially in the northern area (the most
densely urbanized zone) in which the recharge of the groundwater lo-
cated downstream of it takes place. The average reduction goes from
38% in the province of Milan, to 35% in the northern plane, 16% in
the central area and 8% in the southern one (Fig. 16).
CONCLUSIONS
The methodology proposed for estimating groundwater recharge
from precipitation in the Lombardy Plain comprised between the riv-
tal fine è stata sottratta alle diverse aree la frazione di area urbaniz-
zata e per esse è stata valutata una ricarica uguale al 5% di quella
teoricamente simulata per l’area.
La scelta dell’aliquota d’infiltrazione è basata su un’analisi dei
valori di Curve Number (CN) (United States Department of Agricul-
ture, 1986) su di un’estensione dell’area urbanizzata derivata dalla
Carta Tecnica Regionale al 10:000.
Sebbene studi in letteratura mettano in evidenza la possibili-
tà che in corrispondenza delle aree urbanizzate si verifichi un in-
cremento della ricarica, piuttosto che una diminuzione, legato allo
scarico di acque sul suolo, alla riduzione dell’evapotraspirazione, a
perdite delle reti di distribuzione e di collettamento di acque even-
tualmente anche prelevate al di fuori dell’area stessa, (F
oster
et
alii, 1993), nel caso presente si è voluto stimare l’effetto di una im-
permeabilizzazione intensa in un’area storicamente ben servita da
sottoservizi acquedottistici e fognari che interessano praticamente
la totalità delle aree. In particolare le reti acquedottistiche presenta-
no per lo più un’elevata efficienza, con perdite ridotte al 12% circa
a Milano di acque sotterranee prelevate al di sotto dell’area stessa
ed i collettamenti fognari, capillari, scaricano a valle degli abitati in
corsi d’acqua superficiali.
Il presente presente studio non ha tuttavia considerato né l’ef-
fetto che eventi eccezionali intensi possono avere sulle perdite
fognarie e sulle infiltrazioni superficiali, né l’effetto della dimi-
nuzione della voce di evapotraspirazione, fattori che sicuramente
rivestono una certa importanza.
Con tali premesse, l’entità dell’infiltrazione simulata appare
diminuita un modo considerevole (Fig. 15) in particolare nell’area
settentrionale, a più densa urbanizzazione, che rappresenta l’area di
alimentazione delle falde più a valle. La riduzione media varia dal
38% in provincia di Milano, a 35% nell’area di pianura settentrionale
per ridursi al 16% nell’area centrale ed al’8% a sud (Fig. 16).
CONCLUSIONI
La metodica proposta per la stima della voce di bilancio relativa
alla ricarica della falda da eventi meteorici nell’area di pianura lom-
Fig. 14 - Estensione delle aree urbanizzate nella pianura lombarda: in rosso
nell’area d’interesse
- Extent of urban developed areas in the Lombardy Plain: the study
area is shown in red.
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ers Ticino and Oglio, over a period of 26 years, was based on a con-
ceptual model taking into account climate changes, soil types, thick-
ness of the unsaturated zone and soil use.
The Macro numerical code (J
arvis
, 1994), which had been
previously tested with good results in the Po Plain, allowed an
estimate of water balance in 39 profiles made up of soil and va-
dose zone. These profiles were considered as representative of the
study area. Percolation at the bottom, considered as groundwater
recharge, was assessed.
Testing of the model was carried out by comparing recharge with
water table trends in two sample areas from the province of Milan
and has produced good results, thus supporting the validity of this
methodology for all the area.
The results obtained illustrate the constraining effect on recharge
linked to a soil’s fine texture and the presence of vegetation. This is due to
lower infiltration in the first case and to evapotranspiration in the second.
barda compresa tra il Fiume Ticino e il Fiume Oglio per un periodo
temporale di 26 anni si è basata su un modello concettuale che con-
sidera le variazioni climatiche, le tipologie di suolo, lo spessore della
zona non satura e l’uso del suolo.
Il codice numerico utilizzato, Macro (J
arvis
, 1994), precedente-
mente sperimentato con buoni risultati in pianura padana, ha consen-
tito di valutare il bilancio idrico dei 39 profili di suolo e zona vadosa
individuati come rappresentativi dell’area e di valutare la percolazio-
ne alla base degli stessi, considerata quale ricarica.
La verifica del modello effettuata sulla base del confronto della
ricarica con l’andamento del livello della falda in due aree campione
scelte in provincia di Milano ha dato buoni risultati, supportando la
sperimentazione della metodica su tutta l’area.
I risultati mettono in evidenza l’effetto limitante sulla ricarica
legato alla tessitura fine del terreno ed alla presenza della vegetazio-
ne, in ragione della presenza di minore infiltrabilità nel primo caso e
Fig. 16 - Stima delle perdite in diversi settori dell’area studiata, differenziate
in funzione della densità dell’urbanizzazione
- Estimation of water losses in different sectors of the study area, dif-
ferentiated in function of urban development density
Fig. 15 - Distribuzione areale della ricarica simulata considerando la presenza di aree urbanizzate: A) ricarica effettiva (mm/anno); B) percentuale persa rispetto alla
ricarica potenziale (%)
- Amount of estimated recharge lost due to urban development: A) actual recharge (mm/y); B) Percentage of the lost recharge compared with the potenzial one (%)
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As the intensity of precipitation increases, recharge values also
increase, with a deviation between the peaks of the two events of
about three months. The positive trend observed is therefore repro-
duced also for groundwater recharge. On the other hand, the profile
thickness influences only the patterns of flow into groundwater, thus
increasing the dispersion effect of the meteoric recharge impulse.
The effect of urban development was evaluated by considering
the high efficiency of water and sewage networks in one of the most
densely inhabited areas in Europe, without taking into account the
effect of extreme meteoric events and the reduction of evapotranspi-
ration linked to soil waterproofing. By adopting these simplifications,
it may be seen that in the northern sector, where recharge reaches its
maximum and where feeding of the downstream confined aquifers
also takes place, the recharge amount is reduced by 35-38% owing to
the density of urban development.
This result has repercussions on water-supply reserves both in
quantitative terms and, potentially, in qualitative terms, due to the
reduced dilution capacity of groundwater, thus pointing to the need to
implement protection measures in urban recharge zones.
dell’evapotraspirazione nel secondo.
All’aumentare dell’intensità delle precipitazioni si ha un incremento
della ricarica, con uno scarto tra i picchi dei due eventi di circa 3 mesi,
ed il trend positivo meteorico osservato si riproduce sulla ricarica. Per
contro lo spessore del profilo agisce solo sulle modalità di arrivo in fal-
da, incrementndo l’effetto dispersivo dell’impulso di ricarica meteorica.
L’effetto dell’urbanizzazione è stato valutato considerando l’ele-
vata efficienza delle reti acquedottistiche e fognarie di una delle aree
maggiormente urbanizzate d’Europa, senza valutare l’effetto degli
eveti meteorici estremi e della riduzione dell’evapotraspirazione le-
gati all’impermeabilizzazione. Con tali semplificazioni risulta che
nelle aree settentrionali, che presenterebbero la ricarica massima e
che rappresentano le zone di alimentazione delle falde confinate più a
valle, l’entità della ricarica stessa viene ridotta di un’aliquota variabi-
le dal 35% al 38% in funzione della densità dell’urbanizzato.
Tale risultato si ripercuote sulle riserve idropotabili sia in termini
quantitativi sia anche, potenzialmente, in termini qualitativi, per la ri-
dotta capacità diluitiva della falda, indicando la necessità di interventi
di protezione delle zone di ricarica urbanizzate.
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