Manuela Lasagna, Laura Debernardi, Domenico Antonio De Luca
3. Metodologia per la valutazione della vulnera- vulnera-bilità specifica dell’acquifero ai nitrati: livelli di
analisi
La vulnerabilità specifica dell’acquifero ai nitrati è intesa,
in questo lavoro, come presenza o possibile presenza di nitrati in falda con una concentrazione superiore a 50 mg/l (ai sensi del D. Lgs 152/2006).
La metodologia proposta accoppia gli strumenti creati per lo studio dell’idrologia e del ciclo dell’azoto relativi alla prima porzione di suolo (suolo agrario) con metodi finalizzati alla valutazione della vulnerabilità dell’acquifero libero all’inquinamento da nitrati. In detta-glio il metodo proposto si basa su tre livelli di analisi e permette di valutare la capacità di attenuazione per dilui-zione dell’acquifero nei confronti dei nitrati (fundilui-zione della portata unitaria) e la vulnerabilità specifica dell’acquifero ai nitrati (funzione della capacità di atte-nuazione effettiva dell’acquifero).
3.1 Livello 1: possibilità dei nitrati di attraversare la zona non satura
Il Livello 1 rappresenta la possibilità che l’azoto liscivia-to (NL) presente alla base del profilo di suolo raggiunga la falda idrica (Figura 1).
Per “azoto lisciviato” (NL) si intende il dato agrono-mico che rappresenta l'azoto idrotrasportato al di sotto dello strato esplorato dalle radici; tale quantità di azoto dipende dalle colture e dalla matrice del suolo, non può più essere recuperato dalle piante ed è destinato ad attra-versare gli orizzonti sottostanti fino a raggiungere la falda idrica. La valutazione del parametro azoto lisciviato può essere eseguita mediante modelli numerici oppure sottra-endo alla quantità di azoto apportato al suolo gli asporti ad opera delle culture e dei fenomeni di attenuazione nel suolo e in atmosfera.
In questo livello di analisi, quindi, gli orizzonti inte-ressati sono rappresentati dal suolo e dalla zona non satu-ra: infatti, una volta che sia stato applicato un carico di azotati in superficie e che il suolo e le piante abbiano e-spresso la loro funzione di asporto, i nitrati in soluzione nelle acque di infiltrazione efficace attraversano la zona non satura e possono raggiungere la falda superficiale.
Per infiltrazione efficace si intende la frazione di ac-qua che si infiltra nel sottosuolo e raggiunge effettiva-mente la falda senza essere intercettata dalle piante o trat-tenuta nella zona non satura; l’infiltrazione efficace va quindi a costituire il deflusso idrico sotterraneo.
Il parametro preso in considerazione come fattore de-terminante l’arrivo in falda da parte dell’inquinante è l’infiltrazione efficace.
Nel caso in cui l’infiltrazione efficace sia pari a zero la falda è considerata protetta; al contrario, nei casi in cui l’infiltrazione efficace sia superiore a zero la falda è defi-nita non protetta e, quindi, raggiungibile dai nitrati pro-venienti dal suolo e dalla zona non satura.
Nel caso in cui la falda sia protetta, la vulnerabilità specifica dell’acquifero ai nitrati risulta trascurabile; quando invece la falda risulta non protetta, per definirne la vulnerabilità specifica ai nitrati è necessario affrontare i successivi livelli di analisi.
Figura 1: Livello 1: possibilità di contaminazione dell’acquifero.
Figure 1: Level 1: possibility that nitrogen N-leaching reaches groundwater.
3.2 Livello 2: valutazione della capacità di attenuazione per diluizione dell'acquifero
Il Livello 2 fornisce la classe di “Capacità di Attenuazio-ne per DiluizioAttenuazio-ne dell'Acquifero” valutato in base alla portata unitaria dell’acquifero (qu, m2/s).
La portata unitaria qu rappresenta la portata che attra-versa l’unità di larghezza della sezione di flusso. Tale pa-rametro è proporzionale alla capacità di un acquifero di operare una diminuzione della concentrazione di un in-quinante in falda (De Luca & Lasagna, 2005; Lasagna 2006; Debernardi et alii, 2008); di conseguenza, maggio-re è la portata unitaria, maggiomaggio-re la capacità dell’acquifero di ridurre la concentrazione di un inqui-nante attraverso il processo di diluizione. Al contrario, a bassi valori di portata unitaria corrisponde una scarsa ca-pacità dell’acquifero nell’attenuare una contaminazione attraverso la diluizione, e quindi una elevata predisposi-zione idrogeologica alla contaminapredisposi-zione (Figura 2).
La portata unitaria qu è definita dalla relazione se-guente:
qu = k⋅i⋅b = T⋅i (eq. 1) con:
- k = conducibilità idraulica dell’acquifero (m/s) - i = gradiente idraulico (adim.)
- b = spessore dell’acquifero (m) - T = trasmissività dell’acquifero (m2/s).
La portata unitaria aumenta all’aumentare dei parame-tri k e b e risulta direttamente proporzionale alla capacità di attenuazione per diluizione dell’acquifero stesso.
I parametri che sono necessari per affrontare questo livello di analisi sono, quindi, la conducibilità idraulica dell’acquifero, lo spessore dell’acquifero e il gradiente
idraulico.
A parità di azoto lisciviato (NL), maggiore è la porta-ta uniporta-taria (qu) maggiore è la quantità d’acqua in grado di diluire il contaminante e quindi di mantenere basse con-centrazioni di contaminante in falda.
In base ai differenti valori di portata unitaria si defini-sce quindi la Classe di Capacità di attenuazione per di-luizione dell’acquifero secondo la classificazione di Figu-ra 2.
3.3 Livello 3: valutazione della vulnerabilità specifica dell’acquifero ai nitrati
Il Livello 3 permette di valutare la “Capacità di Attenua-zione Effettiva” dell’acquifero, cioè la vulnerabilità spe-cifica dell’acquifero ai nitrati.
La capacità di attenuazione effettiva dell’acquifero rappresenta la capacità della falda di attenuare le concen-trazioni di nitrati per diluizione in modo tale da non supe-rare il limite di legge di 50 mg/l (D.L. 152/2006), consi-derando anche la concentrazione di nitrati già presente in falda. Questa capacità è espressa in termini di Azoto Li-sciviato Ammissibile (NLA, kg N/ha), che rappresenta il valore di Azoto lisciviato massimo che la falda riesce a sopportare in modo che non venga superata la concentra-zione limite di 50 mg/l di nitrati.
La vulnerabilità specifica dell’acquifero ai nitrati è, quindi, inversamente proporzionale all’Azoto lisciviato ammissibile. Infatti, tanto più la falda è in grado di sop-portare elevati carichi azotati senza superare a valle i 50 mg/l, tanto più la sua vulnerabilità specifica risulterà bas-sa (Figura 3).
Figura 2: La portata unitaria dell’acquifero (qu) è direttamente proporzionale alla capacità di attenuazione per diluizione di un inqui-nante (Ci = concentrazione di nitrati nelle acque di infiltrazione efficace; b = spessore dell’acquifero). A parità di Azoto lisciviato (NL), maggiore è la qu, maggiore è la quantità d’acqua in grado di diluire il contaminante e, quindi, di mantenere concentrazioni di contaminante in falda basse.
Figure. 2: the volumetric flow rate per unit perpendicular to the flow direction (qu) is directly proportional to aquifer ability to
opera-te a contaminant concentration reduction (Ci= nitrate concentration in the infiltration water; b = aquifer depth).
Il parametro NLA può essere calcolato considerando un modello semplificato di un acquifero non confinato; tale modello è rappresentato da una rete di flusso a celle quadrangolari in cui sia conosciuta la concentrazione in ingresso alla cella (Cae, mg/l) e vi sia un apporto di nitrati dall’infiltrazione efficace (Ci, mg/l); è quindi possibile valutare i parametri da cui dipende la concentrazione in uscita da ciascuna cella (Cu, mg/l), mediante la seguente equazione (Lasagna 2006; Debernardi et alii, 2008):
( ) ( )
(
q I L)
C L I C q C e u i e ae u u ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ = (eq. 2)dove Ie è l’infiltrazione efficace (mm/anno) e L la lun-ghezza della cella esaminata (m).
Tale approccio risulta conservativo poiché la procedu-ra adottata:
• prevede gli effetti in regime permanente;
• non prende in considerazione la dispersione trasversa-le tra tubi di flusso contigui che può ridurre trasversa-le concen-trazioni di nitrati effettive in falda;
• non prende in considerazione i fenomeni di
denitrifi-cazione che, in alcuni contesti chimico-fisici, possono ridurre l’entità della contaminazione da nitrati;
• non considera le eventuali intercomunicazioni con ac-quiferi più profondi;
• ipotizza che le acque di infiltrazione, data l’elevata solubilità dei nitrati, siano in grado di portare in solu-zione l’intero azoto lisciviato annuo.
Nell’equazione 2 si pone Cicome incognita (definita CiAMM) e Cu pari alla concentrazione limite dei nitrati nel-le acque sotterranee (50 mg/l); in tal modo si ricava l’equazione seguente: 50 L I C 50 q C e ae u iAMM ¸¸+ ¹ · ¨¨ © § ⋅ − ⋅ = (eq. 3)
CiAMM rappresenta la concentrazione ammissibile di nitrati nelle acque di infiltrazione efficace, affinché non si superi in uscita dalla cella la concentrazione limite di ni-trati di 50 mg/l. Risulta che:
e iAMM I
NLA
dove NLA pari è alla quantità di azoto lisciviato ammis-sibile tale per cui, data una certa infiltrazione efficace, non venga superata la CiAMM, e quindi la concentrazione di nitrati in uscita dalla cella non superi 50 mg/l.
Sostituendo l’eq. 4 nell’eq. 3 e ponendo in evidenza NLA, si ottiene:
(
e)
ae u e iAMM 50 I L C 50 q I C NLA ¸+ ⋅ ¹ · ¨ © § − ⋅ = ⋅ = (eq.5)Figura 3: Situazioni semplificative della vulnerabilità specifica ai nitrati al variare della qu e della concentrazione di nitrati in falda (Cae).
Figure 3: Theoretical schemes about nitrate vulnerability with
different qu values and nitrate concentration in groundwater
(Cae).
La vulnerabilità specifica dell’acquifero ai nitrati può essere suddivisa in sei classi, in base al diverso valore di NLA (Tabella 1). Tale parametro è stato calcolato consi-derando la lunghezza della cella di flusso L pari a 1 km. Questa distanza rappresenta il tratto percorso dalle acque sotterranee per solo moto avvettivo in un tempo non
su-periore a 5 anni nei contesti idrogeologici presi in esame. In effetti, il modello considerato è subordinato all’ipotesi semplificativa di instaurazione di un regime permanente; tali ipotesi prevede, quindi, un apporto di azoto dalla su-perficie topografica continuo e con concentrazioni co-stanti da un tempo sufficientemente lungo. Dal momento che si ipotizzano condizioni climatiche e agro-colturali rimaste invariate nelle aree in esame per un periodo ante-cedente ad oggi pari ad almeno 5 anni, la scelta di una lunghezza della cella di 1 km risulta giustificata. È possi-bile, tuttavia, utilizzare L diverse da 1 km in base alle specifiche esigenze di analisi; in tal caso la Tabella 1 an-drà riformulata.
Tabella 1: Classi di vulnerabilità specifica ai nitrati sulla base dell’azoto lisciviato ammissibile NLA.
Table 1: Nitrate vulnerability classes on the base of NLA (ac-ceptable nitrogen leaching).
CLASSE NLA (kg
N/ha)
Vulnerabilità specifica ai ni-trati Classe 1 (> 500) Bassa Classe 2 (300 – 500) Classe 3 (150 – 300) Classe 4 (50 – 150) Classe 5 (0 – 50) Classe 6 (< 0) Elevata
In particolare, la Classe 6 rappresenta il caso in cui l’acquifero risulta già contaminato, cioè l’eventualità in cui le concentrazioni di nitrati in falda superino i 50 mg/l; in tale situazione non è possibile introdurre nel sistema un ulteriore carico di composti azotati, essendo la qualità dell’acquifero già compromessa, ma sarebbe necessario, da un punto di vista teorico, asportare dell’azoto, da cui il valore negativo.