Se andate nel vostro giardino o in una foresta o in un parco e cominciate a scavare, troverete che il terreno è umido (a meno che non siate in un deserto), ma non è saturo d’acqua. Questo significa che parte dello spazio dei pori del terreno è occupato dall’acqua, e parte dello spazio dei pori è occupato dall’aria (a meno che non siate in una palude). Questa è conosciuta come la zona insatura. Se si potesse scavare abbastanza in profondità, si arriverebbe al punto in cui tutti gli spazi porosi sono riempiti al 100% d’acqua (saturi) e il fondo della buca si riempirebbe d’acqua. Il livello dell’acqua nel buco rappresenta la falda, che è la superficie della zona satura. Nella maggior parte delle parti della Columbia Britannica, la falda acquifera si trova diversi metri sotto la superficie.

L’acqua che cade sulla superficie del terreno come precipitazione (pioggia, neve, grandine, nebbia, ecc.) può fluire dal pendio di una collina direttamente in un ruscello sotto forma di deflusso, o può infiltrarsi nel terreno, dove viene immagazzinata nella zona insatura. L’acqua nella zona insatura può essere usata dalle piante (traspirazione), evaporare dal terreno (evaporazione), o continuare oltre la zona delle radici e scorrere verso il basso fino alla falda acquifera, dove ricarica l’acqua freatica.

La figura 14.5 illustra una sezione trasversale di una tipica collina con un acquifero non confinato. Nelle aree con rilievo topografico, la falda freatica generalmente segue la superficie del terreno, ma tende ad avvicinarsi alla superficie nelle valli, e interseca la superficie dove ci sono torrenti o laghi. La falda può essere determinata dalla profondità dell’acqua in un pozzo che non viene pompata, anche se, come descritto di seguito, questo vale solo se il pozzo si trova all’interno di una falda acquifera non confinata. In questo caso, la maggior parte della collina forma l’area di ricarica, dove l’acqua delle precipitazioni scorre verso il basso attraverso la zona insatura per raggiungere la falda. L’area presso il torrente o il lago in cui scorre l’acqua freatica è un’area di scarico.

Cosa fa scorrere l’acqua dalle aree di ricarica a quelle di scarico? Ricorda che l’acqua scorre nei pori dove c’è attrito, il che significa che ci vuole lavoro per muovere l’acqua. C’è anche un certo attrito tra le molecole d’acqua stesse, che è determinato dalla viscosità. L’acqua ha una bassa viscosità, ma l’attrito è ancora un fattore. Tutti i fluidi che scorrono perdono sempre energia a causa dell’attrito con l’ambiente circostante. L’acqua scorrerà da aree con alta energia a quelle con bassa energia. Le aree di ricarica sono ad altezze più elevate, dove l’acqua ha un’alta energia gravitazionale. È stata l’energia del sole che ha fatto evaporare l’acqua nell’atmosfera e l’ha sollevata fino alla zona di ricarica. L’acqua perde questa energia gravitazionale mentre scorre dall’area di ricarica all’area di scarico.

Nella figura 14.5, la falda è inclinata; tale inclinazione rappresenta il cambiamento dell’energia potenziale gravitazionale dell’acqua alla falda. La falda è più alta sotto la zona di ricarica (90 m) e più bassa nella zona di scarico (82 m). Immagina quanto lavoro sarebbe necessario per sollevare l’acqua a 8 m di altezza nell’aria. Questa è l’energia che è stata persa per attrito mentre l’acqua freatica scorreva dalla cima della collina al torrente.

La situazione diventa molto più complicata nel caso degli acquiferi confinati, ma essi sono importanti fonti di acqua e quindi dobbiamo capire come funzionano. Come mostrato nella figura 14.6, c’è sempre una falda, e questo vale anche se i materiali geologici in superficie hanno una permeabilità molto bassa. Dove c’è un acquifero confinato – cioè uno che è separato dalla superficie da uno strato confinante – questo acquifero avrà la propria “falda acquifera”, che in realtà è chiamata superficie potenziometrica, poiché è una misura dell’energia potenziale totale dell’acqua. La linea rossa tratteggiata nella figura 14.6 è la superficie potenziometrica per l’acquifero confinato, e descrive l’energia totale che l’acqua si trova all’interno dell’acquifero confinato. Se perforiamo un pozzo nella falda acquifera non confinata, l’acqua salirà al livello della falda (pozzo A nella figura 14.6). Ma se perforiamo un pozzo attraverso sia la falda non confinata che lo strato confinante e nella falda confinata, l’acqua salirà sopra la cima della falda confinata al livello della sua superficie potenziometrica (pozzo B nella figura 14.6). Questo è conosciuto come un pozzo artesiano, perché l’acqua sale sopra la cima dell’acquifero. In alcune situazioni, la superficie potenziometrica può essere sopra il livello del suolo. L’acqua in un pozzo perforato nell’acquifero confinato in questa situazione salirebbe sopra il livello del suolo, e uscirebbe, se non è tappato (pozzo C nella figura 14.6). Questo è conosciuto come un pozzo artesiano fluente.

In situazioni in cui c’è un acquitardo di estensione limitata, è possibile che esista un acquifero perturbato come mostrato nella figura 14.7. Anche se gli acquiferi perturbati possono essere buone fonti d’acqua in alcuni periodi dell’anno, tendono ad essere relativamente sottili e piccoli, e quindi possono essere facilmente esauriti con il pompaggio eccessivo.

Nel 1856, l’ingegnere francese Henri Darcy condusse alcuni esperimenti dai quali derivò un metodo per stimare la velocità di flusso dell’acqua freatica basato sul gradiente idraulico e la permeabilità di un acquifero, espresso usando K, la conduttività idraulica. L’equazione di Darcy, che è stata ampiamente usata dagli idrogeologi da allora, si presenta così:

V = K * i

(dove V è la velocità del flusso di acqua freatica, K è la conduttività idraulica e i è il gradiente idraulico).

Possiamo applicare questa equazione allo scenario della figura 14.5. Se assumiamo che la permeabilità sia 0,00001 m/s otteniamo: V = 0,00001 * 0,08 = 0,0000008 m/s. Questo equivale a 0,000048 m/min, 0,0029 m/ora o 0,069 m/giorno. Ciò significa che l’acqua impiegherebbe 1.450 giorni (quasi quattro anni) per percorrere i 100 m dalle vicinanze del pozzo al torrente. Le acque sotterranee si muovono lentamente, e questa è una quantità ragionevole di tempo per l’acqua per spostarsi di quella distanza. Infatti probabilmente ci vorrà più tempo, perché non viaggia in linea retta.

È fondamentale capire che l’acqua freatica non scorre in torrenti sotterranei, né forma laghi sotterranei. Con l’eccezione delle zone carsiche, con grotte nel calcare, le acque sotterranee scorrono molto lentamente attraverso sedimenti granulari, o attraverso la roccia solida che ha fratture. Velocità di flusso di diversi centimetri al giorno sono possibili in sedimenti significativamente permeabili con gradienti idraulici significativi. Ma in molti casi, le permeabilità sono più basse di quelle che abbiamo usato come esempi qui, e in molte aree, i gradienti sono molto più bassi. Non è raro che le acque sotterranee scorrano a velocità da pochi millimetri a pochi centimetri all’anno.

Come già notato, le acque sotterranee non scorrono in linee rette. Scorre da aree di maggiore battente idraulico ad aree di minore battente idraulico, e questo significa che può scorrere “in salita” in molte situazioni. Questo è illustrato nella figura 14.8. Le linee arancioni tratteggiate sono equipotenziali, cioè linee di uguale pressione. Le linee blu sono i percorsi di flusso dell’acqua freatica previsti. Le linee rosse tratteggiate sono confini di non flusso, cioè l’acqua non può scorrere attraverso queste linee. Questo non perché c’è qualcosa che la ferma, ma perché non c’è un gradiente di pressione che faccia scorrere l’acqua in quella direzione.

L’acqua sotterranea scorre perpendicolarmente alle linee equipotenziali nello stesso modo in cui l’acqua che scorre lungo un pendio scorre perpendicolarmente alle curve di livello. Il ruscello in questo scenario è la posizione con il potenziale idraulico più basso, così l’acqua freatica che scorre nelle parti più basse della falda deve fluire verso l’alto per raggiungere questa posizione. È forzata verso l’alto dalle differenze di pressione, per esempio, la differenza tra le linee equipotenziali 112 e 110.

L’acqua di falda che scorre attraverso le grotte, comprese quelle nelle aree carsiche – dove le grotte si sono formate nel calcare a causa della dissoluzione – si comporta diversamente dalle acque sotterranee in altre situazioni. Le grotte al di sopra della falda sono condotti pieni d’aria, e l’acqua che scorre all’interno di questi condotti non è sotto pressione; risponde solo alla gravità. In altre parole, scorre in discesa lungo la pendenza del pavimento della grotta (Figura 14.9). Molte grotte calcaree si estendono anche sotto la falda acquifera e nella zona satura. Qui l’acqua si comporta in modo simile a qualsiasi altra acqua freatica, e scorre secondo il gradiente idraulico e la legge di Darcy.