Insegnamento APPLIED HYDROGEOLOGY

Corso

Scienze della terra per la gestione dei rischi e dell'ambiente

Codice insegnamento

A002113

Curriculum

Geosciences for environmental sustainability

Docente

Valter Ulderico Dragoni

Docenti

Valter Ulderico Dragoni

Ore

42 ore - Valter Ulderico Dragoni

CFU

Regolamento

Coorte 2021

Erogato

2021/22

Attività

Caratterizzante

Ambito

Discipline geomorfologiche e geologiche applicative

Settore

GEO/05

Tipo insegnamento

Opzionale (Optional)

Tipo attività

Attività formativa monodisciplinare

Lingua insegnamento

INGLESE

Contenuti

PROGRAMMA SINTETICO
Ciclo dell'acqua, sistemi idrologici, equazione di continuità, bilancio idrico. Portata di fiumi, canali e tubazioni; misura della portata. Equazioni di Chezy e Manning.
Temperatura, pioggia, evaporazione, evapotraspirazione, infiltrazione (misura e stima).
Concetto di sistema e modello. Acque sotterranee, termini di base. Carico piezometrico e potenziale idraulico.
Equazione di Darcy (anche in termini di Equazione di Bernoulli). Numero di Reynolds, validità dell'equazione di Darcy. Conducibilità idraulica, permeabilità e loro misura.
Ipotesi di Dupuit-Forchheimer ed equazione di Darcy come soluzione di un'equazione differenziale; soluzione di alcuni problemi elementari delle acque sotterranee nel caso di mezzi omogenei ed isotropi.
Isotropia e anisotropia, rifrazione delle linee di flusso. Flusso parallelo e ortogonale alla stratificazione.
Reti di flusso. Trasformazione di mezzi anisotropi in isotropi tramite l’equazione di Forchheimer. Forza di filtrazione e conseguenze. Mappe piezometriche, relazioni tra acque superficiali e sotterranee.
Idraulica dei pozzi. Pozzi per acqua in stato stazionario e non stazionario. Problema inverso. Prove di pompaggio (metodi di Theis, Cooper -Jacob, Jacob & Rorabough).
Principio di sovrapposizione e applicazioni ai problemi delle acque sotterranee. Acquiferi reali e teorici, idraulica di acquiferi con piezometria indisturbata inclinata.
Prove di pozzo (step-drowdown test); efficienza di un pozzo, portata ottimale di esercizio. Campi pozzo.
Sistemi fratturati e carsici. Idrogeologia delle sorgenti; curve di esaurimento. Intrusione di acqua di mare negli acquiferi costieri: equazioni di Gyben-Herzberg, Glover, Bear-Dagan. Informazioni di base sulla modellazione idrogeologica. Elementi relativi alla qualità dell'acqua e ai problemi di inquinamento.

Testi di riferimento

- Heath - Basic Ground-Water Hydrology (Internet Open Source)
- U.S. Army Ce - 1999 - Groundwater Hydrology (Internet Open Source)
- Materiale scritto fornito dall'istruttore.

Obiettivi formativi

Gli obiettivi del corso sono:
- Fornire agli studenti le conoscenze di base dell'idrogeologia, integrate nel più ampio campo dell'idrologia.
- Insegnare agli studenti a ricavare gli argomenti trattati su base logica, come appropriato per una Laurea magistrale. A parte gli inevitabili pochi concetti primari da conoscere a memoria, gli studenti devono essere in grado di ricavare le conoscenze fondamentali. I concetti principali, le formule e le applicazioni devono essere compresi, non solo applicati come si applica una ricetta di cucina.
- Fornire agli studenti una chiara comprensione delle basi sperimentali, geologiche, fisiche e matematiche su cui poggia l'idrogeologia.
- Insegnare agli studenti a studiare autonomamente su libri e pubblicazioni. A questo fine gli studenti sono incoraggiati a cercare autonomamente su testi cartacei ed internet, al di là dei libri consigliati, lavori che trattino gli argomenti più interessanti o complessi.
- Fornire agli studenti la capacità di approfondire autonomamente le conoscenze acquisite alla fine del corso, che è un corso di sole 42 ore.

Prerequisiti

Conoscenze di Matematica, Fisica, Chimica, Statistica e Geologia coerenti con una laurea triennale in Geologia, Scienze Naturali, Scienze Ambientali, Ingegneria Civile o altra laurea affine.

Metodi didattici

Tradizionale (in presenza in aula), trasformabile in telematica se l’evoluzione dell’epidemia e le esigenze degli studenti lo richiederanno.

Altre informazioni

Note:
- Per superare l'esame lo studente deve mostrare una chiara comprensione dei concetti e delle equazioni di base.
- La frequenza alle lezioni non è obbligatoria ma è fortemente consigliata; anche lo studio continuativo è essenziale, dato che gli argomenti di ogni lezione presuppongono la conoscenza degli argomenti già presentati.
- Oltre alla presentazione del corso, la prima lezione comprenderà un test scritto per valutare la conoscenza degli argomenti necessari per seguire con successo il corso.
- Il corso si concentra sulle acque sotterranee, ma sottolinea che i fenomeni idrologici, idrogeologici e idroclimatici appartengono allo stesso processo generale.
- Per rendere chiare le lezioni, verranno richiamati i concetti appropriati di matematica, fisica, chimica, e geologia.
- Quando possibile, ossia tenendo conto delle conoscenze di Matematica e Fisica previste nei corsi triennali delle lauree scientifiche, le equazioni saranno derivate sulla base dei principi fisici, con ampio uso dell'analisi dimensionale.
- Durante le lezioni, ogni argomento presentato sarà seguito da esercizi scritti numerici o logici. Inoltre, dove appropriato, verranno presentati uno o più casi di studio pertinenti agli argomenti studiati.
- Gli studenti saranno attivamente coinvolti attraverso domande e derivazioni da effettuare alla lavagna.
- Se possibile, verrà effettuata sul campo una lezione sulle sorgenti.
- Sin dalla prima lezione, si raccomanda agli studenti di seguire la lezione con una calcolatrice scientifica, in grado di eseguire regressioni lineari e non. Va bene anche l’uso di un foglio di calcolo. Inoltre, si raccomanda di seguire le lezioni prendendo note.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Prova Scritta:
La Prova Scritta è un insieme di domande e problemi con risposte numeriche o logiche (richiede all’incirca 2-3 ore). Gli studenti possono sostenere la Prova Orale solo dopo aver superato il test scritto. Scopo del test è verificare che lo studente abbia le conoscenze minime necessarie per superare l’esame. Considerando che il corso di Applied Hydrogeology è un corso con un forte taglio applicativo, e che nel mondo reale i professionisti lavorano consultando i testi, gli studenti possono consultare testi, appunti e usare calcolatrici scientifiche o fogli di calcolo. Nonostante quest’ultima facilitazione, si avvertono gli studenti che se non hanno una preparazione solida, non hanno eseguito gli esercizi discussi durante il corso e non sono abituati a studiare e a consultare i libri, il superamento del test scritto non è affatto garantito.
Prova Orale:
La Prova Orale ha lo scopo di verificare il grado di comprensione degli argomenti fondamentali svolti durante il corso. Agli studenti verrà chiesta l’esposizione di alcuni degli argomenti svolti durante il corso, assieme a qualche dimostrazione delle equazioni più comuni. Lo studente dovrà anche presentare e discutere brevemente un caso di studio a sua scelta, pertinente alle acque sotterranee.
Il voto finale dipenderà da entrambe le prove ma, nel caso di prova orale gravemente insufficiente, l’aver superato la prova scritta non garantisce il superamento dell’esame.

Programma esteso

PROGRAMMA ESTESO
Ciclo dell’acqua. Richiami di Fisica elementare: forza, pressione, energia meccanica. Conservazione della massa e dell’energia. Sistemi idrologici, portata di fiumi, canali e tubazioni; misura della portata. Equazioni di Chezy e Manning. Equazione di continuità, bilancio idrico.

Temperatura, pioggia, evaporazione, evapotraspirazione, infiltrazione (misura e stima).
Concetto di sistema e modello. Sistemi idrogeologici. Acque sotterranee, termini di base. Carico piezometrico e potenziale idraulico.

Equazione di Darcy (anche in termini di Equazione di Bernoulli). Numero di Reynolds, validità dell'equazione di Darcy. Flusso non darciano. Conducibilità idraulica, permeabilità, trasmissività, porosità effettiva, coefficiente di immagazzinamento. Velocità di Darcy e velocità reale. Misura e stima dei parametri idrogeologici, in campo ed in laboratorio.

Approssimazioni di Dupuit-Forchheimer ed equazione di Darcy come soluzione di un'equazione differenziale; condizioni al contorno. Soluzione di alcuni problemi elementari delle acque sotterranee nel caso di mezzi omogenei ed isotropi (flusso parallelo fra contorni a potenziale costante, con ricarica dall’alto ecc.).

Isotropia e anisotropia, rifrazione delle linee di flusso. Flusso parallelo e ortogonale alla stratificazione.
Reti di flusso. Trasformazione di mezzi anisotropi in isotropi tramite l’equazione di Forchheimer. Forza di filtrazione e conseguenze. Mappe piezometriche, relazioni tra acque superficiali e sotterranee.

Idraulica dei pozzi. Pozzi per acqua in stato stazionario e non stazionario, con cenni ai pozzi parzialmente perforanti. Raggio d’influenza. Prove di pompaggio in acquiferi confinati e liberi (equazioni di Thiem-Dupuit, Theis, Cooper -Jacob). Problema inverso.

Principio di sovrapposizione e applicazioni ai problemi delle acque sotterranee. Acquiferi reali e teorici. Pozzi per acqua in acquiferi con piezometria indisturbata inclinata. Area di cattura, barriere idrodinamiche, tempi di percorrenza.

Prove di pozzo (step-drowdown test); efficienza di un pozzo, portata ottimale di esercizio (equazioni di Jacob & Rorabough). Campi pozzo.

Sistemi fratturati e carsici. Idrogeologia delle sorgenti; curve di esaurimento (Torricelli, esponenziale, iperbolica) e loro applicazione.

Intrusione di acqua di mare negli acquiferi costieri: equazioni di Gyben-Herzberg, Glover, Bear-Dagan.

Cenni ai problemi di qualità dell'acqua e all’inquinamento. Informazioni di base sulla modellazione idrogeologica tramite differenze finite, elementi finiti e a serbatoi.