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Idrologia e problematiche ambientali. Idrologia e tematiche ambientali Alluvioni Instabilità dei versanti montani Contaminazione dei suoli e delle acque.

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Presentazione sul tema: "Idrologia e problematiche ambientali. Idrologia e tematiche ambientali Alluvioni Instabilità dei versanti montani Contaminazione dei suoli e delle acque."— Transcript della presentazione:

1 Idrologia e problematiche ambientali

2 Idrologia e tematiche ambientali Alluvioni Instabilità dei versanti montani Contaminazione dei suoli e delle acque Impatto sul clima Idrologia (fluido-dinamica ambientale) Geofisica (idro-geofisica) evaporazione precipitazione condensazione fiume acqua sotterranea salina flusso nel saturo infiltrazione sorgente evaporazione traspirazione basamento impermeabile aria film di acqua attorno ai grani solidi acqua grani solidi ROCCIA NON SATURA ROCCIA SATURA Lacqua nel sottosuolo trasporta energia modifica lo stato di stress trasporta contaminanti

3 Hillslope dynamics Catchment Hillslope Geomorphologic IUH

4 Si sa che i processi di versante sono cruciali per la risposta idrologica di bacino, ma il ruolo dei meccanismi di base sono per la maggior parte non definiti con precisione. flusso superficiale flusso sub- supeficiale flusso idrico sotterraneo Studi sperimentali: Bedrock topography [Freer et al., 1997, 2002], [Katsura et al., 2008] Precipitation volume threshold [Tromp-van Meerveld and McDonnell, 2006] Soil retention characteristics [Torres et al., 1998] Macroporosity, pipe-flow, role of pre-event water vs event water [Anderson et al., 1997; Montgomery et al., 1997; Rodhe et al., 1996; Uchida et al., 2004; McGlynn et al., 2002; Scherrer et al., 2006; Torres and Alexander, 2002] Subsurface and surface flow correspondence [Worman et al., 2007] Interaction between climate, soil, vegetation and hillslope response [Hopp et al., 2009]

5 tavola dacqua superficie piezometrica substrato impermeabile acquifero strato di confinamento Aspetti del problema ambientale: struttura

6 tavola dacqua superficie piezometrica sorgente acquifero strato di confinamento substrato impermeabile Aspetti del problema ambientale: struttura dinamica dei fluidi

7 Aspetti del problema ambientale: struttura dinamica dei fluidi presenza di contaminanti tavola dacqua superficie piezometrica contaminanti sorgente acquifero strato di confinamento substrato impermeabile

8 La zona non satura (vadosa) frangia capillare tavola dacqua zona di ritenzione suolo eterogeneità Migrazione dellacqua ~ verticale trasporto dei contaminanti interfaccia con latmosfera meccanica dei suoli e forze capillari inondazioni e contenuto idrico dei suoli

9 ha una funzione essenziale nel contenimento della contaminazione: frangia capillare zona di ritenzione suolo 1-2 m m 2-20 m tavola dacqua provoca assorbimento specie di metalli pesanti ritarda larrivo in falda genera rimozione per volatilizzazione dà tempo ai batteri per operare una biodegradazione aerobica Il non saturo

10 Sotto la tavola dacqua, i pori sono saturi al 100%, con pressione che aumenta con la profondità. La tavola dacqua si può definire come la superficie dove la pressione è atmosferica. Sopra la tavola dacqua cè una zona in cui i pori sono ancora saturi ma la pressione è minore di quella atmosferica (frangia capillare) Ancora più in alto, la saturazione è inferiore al 100%, e la pressione diminuisce ancora, raggiungendo valori fortemente negativi. Il non saturo

11 I contaminanti penetrano dalla superficie, attraverso il suolo ed il non saturo, raggiungono la falda freatica ed iniziano a seguire il moto dellacqua nel saturo. [M.Price, 1995] Il saturo Il moto di contaminanti in fase disciolta è chiaramente controllato in prima istanza dal moto dellacqua stessa. La convezione è il moto del soluto secondo le linee principali di flusso delle acque sotterranee. La dispersione meccanica causa la diluizione del soluto nellacquifero. Entrambi i meccanismi sono dovuti al moto idrico, considerato dallosservatore a scale fisiche diverse.

12 eterogeneità frangia capillare tavola dacqua zona di ritenzione suolo Migrazione dellacqua ~ orizzontale controlla: flusso di base dei corsi dacqua cambiamenti nello stato di stress trasporto di contaminanti risorse idriche Le eterogeneità del sottosuolo giocano un ruolo determinante plume convezione dispersione sorgente Il saturo

13 La dispersione meccanica è il meccanismo principale che causa la diluizione dei soluti in acquifero. La diffusione molecolare, pur presente, ha un impatto trascurabile. La dispersione è più elevata in direzione longitudinale (parallela al flusso medio) e minore in direzione trasversale. La dispersione longitudinale è causata dalle differenti velocità dellacqua nei diversi percorsi nel mezzo poroso. La dispersione trasversale è causata dalla separazione e tortuosità dei canali porosi. [M.Price, 1995] Trasporto di soluti in falda Questa è la dispersione che avviene alla microscala Il saturo

14 Leterogeneità del sottosuolo genera anche dispersione a scala più grande mega micro macro plume sand clay Il saturo

15 Le variazioni spaziali della velocità di flusso e quindi la macro-dispersività dipendono dalla variabilità nello spazio della conducibilità idraulica K Il saturo The Borden aquifer experiment [Sudicky et al., 1986]

16 Dallanalisi dei momenti spaziali dei plume di soluti è possibile ricavare la macro-dispersività, e da questa le statistiche del campo di K Borden experiment: plume di bromuro [Barry and Sposito, 1988] (Vista dallalto) Il saturo

17 Per effettuare unanalisi attendibile dei momenti spaziali dei plume di soluti è necessario un campionamento molto fitto nel tempo e nello spazio. Tecnica non applicabile nella pratica comune Enorme numero di punti di campionamento! Cape Cod, Mass. Borden, Canada Il saturo

18 CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI sorgente percorso recettori In condizioni ideali, dovrebbe offrire i dati e le informazioni per definire la catena sorgente -> percorso -> recettore

19 Gli obiettivi sono: determinare la natura e lestensione della contaminazione (hazard) caratterizzare il mezzo fisico contaminato (percorsi) comprendere la natura di recettori potenziali e relativi rischi fornire informazioni per le decisioni di gestione e bonifica CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI

20 Il prodotto finale: UN MODELLO CONCETTUALE SITO MODELLO CONCETTUALE CARATTERIZZAZIONE DEL SITO PROGETTAZIONE DELLA CARATTERIZZAZIONE

21 la migrazione di contaminanti è governata da molti meccanismi fisici, chimici e biologici il più importante: trasporto con lacqua nel saturo e nel non saturo ma altrettanto cruciali: flusso come fase separata (DNAPL o LNAPL) assorbimento/desorbimento dalla matrice solida biodegradazione [C.W.Fetter, 1999] Percorsi

22 Trasporto nel sottosuolo Il non saturo Percorsi

23 Trasporto nel sottosuolo Il saturo Percorsi

24 mega macro micro Eterogeneità a varie scale

25 LNAPL (light NAPL) e DNAPL (dense NAPL) penetrano per gravità e per battente dolio. Durante il loro moto, lasciano dietro di sè una zona a saturazione residua. Raggiunta la frangia capillare, gli LNAPL si fermano e galleggiano, i DNAPL penetrano fino al fondo dellacquifero. Sia LNAPL che DNAPL sono molto volatili, ed i loro vapori invadono la zona non satura. Gli LNAPL sono biodegradabili in condizioni aerobiche, i DNAPL non lo sono. Sorgenti di contaminazione

26 ricerche di documenti interviste al personale remote sensing investigazioni con metodi invasivi investigazioni con metodi non-invasivi (geofisici) o minimamente invasivi campionamento delle acque e dei suoli analisi chimica/biochimica CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI Gli strumenti sono:

27 ricerche di documenti interviste al personale remote sensing investigazioni con metodi invasivi investigazioni con metodi non-invasivi (geofisici) o minimamente invasivi campionamento delle acque e dei suoli analisi chimica/biochimica CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI Gli strumenti sono:

28 Qual è il ruolo della Geofisica?

29 La geofisica applicata

30 La misura geofisica strumento dominio di investigazione G = quantità geofisica misurata P = parametro geofisico del sottosuolo che condiziona G G = G(P, F = condizioni forzanti)

31 PROCESSING INVERSIONE distribuzione di P (stimata) informazione per lutente (modello concettuale di sito) ANALISI FISICA MISURA ED ANALISI IN GEOFISICA APPLICATA parametro fisico P segnale G MISURA

32 G = G(P, F) è il modello diretto Per esempio: G = campo gravitazionale, P = densità, F = campo della Terra (gravimetria) (metodo passivo) G = potenziale elettrico, P = resistività, F = corrente iniettata (geoelettrica) G = vibrazione del suolo, P = velocità delle onde elastiche, F = sorgente (seismics) G = campo elettrico, P = velocità delle onde EM, F = impulso elettrico (GPR) G = campo magnetico, P = suscettibilità magnetica, F = campo della Terra (magnetismo) (metodo passivo)

33 P = G -1 (G, F) deriva la distribuzione di densità da misure gravimetriche deriva la distribuzione di resistività da misure geoelettriche in CC deriva la distribuzione di velocità sismica da misure sismiche deriva la distribuzione di velocità EM da misure GPR è il modello inverso Per esempio: deriva la distribuzione di suscettività da misure magnetiche

34 NON UNICITA DELLA INTERPRETAZIONE segnale G PROCESSING INVERSIONE INTERPRETAZIONE modello concettuale del sottosuolo 1 modello concettuale del sottosuolo 2 modello concettuale del sottosuolo N segnale NON osservato modello concettuale del sottosuolo X …

35 segnale G PROCESSING INVERSIONE INTERPRETAZIONE modello concettuale del sottosuolo 1 modello concettuale del sottosuolo 2 modello concettuale del sottosuolo N La scelta si effettua sulla base di informazioni ausiliarie, p.es. sulla geologia … NON UNICITA DELLA INTERPRETAZIONE

36 segnale G 1 PROCESSING INVERSIONE INTERPRETAZIONE modello concettuale del sottosuolo 1 modello concettuale del sottosuolo 2 modello concettuale del sottosuolo n modello concettuale del sottosuolo N segnale G 2 PROCESSING INVERSIONE INTERPRETAZIONE … … NON UNICITA DELLA INTERPRETAZIONE

37 METODI GEOFISICI APPLICAZIONI Geoelettrica Sismica Georadar Metodi EM Gravimetria Magnetismo... Esplorazione per idrocarburi Esplorazioni per minerali Studi ingegneristici Studi idrogeologici Identificazione di contaminanti Studi geologici regionale Applicazioni forensi Studi archeologici... ?

38 METODI GEOFISICI APPLICAZIONI La scelta viene fatta in base dei seguenti criteri: lobiettivo dellapplicazione deve essere compatibile con la grandezza fisica misurata ll metodo deve aver sufficiente risoluzione spaziale (e temporale) e sufficiente penetrazione costo logistica impatto ambientale

39 Lobiettivo dellapplicazione deve essere compatibile con la grandezza fisica G misurata: ovvero deve esistere CONTRASTO fra i parametri fisici P in zone diverse, per cui il metodo può identificare la struttura del sottosuolo ANOMALIE

40 PROPRIETA FISICHE sismica: moduli elastici e densità gravimetria: densità metodi magnetici: suscettività e magn. permanente geoelettrica: conduttività elettrica metodi elettromagnetici: conduttività elettrica polarizzazione indotta: conduttività elettrica complessa potenziale spontaneo: conduttività elettrica e sorgenti ground penetrating radar: costante dielettrica

41 Inoltre il metodo prescelto deve avere sufficiente risoluzione spaziale e sufficiente penetrazione. risoluzione verticale risoluzione orizzontale max penetrazione

42 la logistica: facilità di accesso trasporto di equipaggiamento tempo atmosferico e stagione permessi di passaggio/accesso permessi operativi pianificazione del survey: geometria campionamento spazio/tempo progettazione sulla base delle anomalie attese presentazione dei risultati (linee, mappe, sezioni, 3D)

43

44 PROPRIETA FISICHE UTILIZZATE NEI METODI GEOFISICI sismica: moduli elastici e densità gravimetria: densità metodi magnetici: suscettività e magn. permanente geoelettrica: conduttività elettrica metodi elettromagnetici: conduttività elettrica polarizzazione indotta: conduttività elettrica complessa potenziale spontaneo: conduttività elettrica e sorgenti ground penetrating radar: costante dielettrica

45 sismica: moduli elastici e densità gravimetria: densità metodi magnetici: suscettività e magn. permanente geoelettrica: conduttività elettrica metodi elettromagnetici: conduttività elettrica polarizzazione indotta: conduttività elettrica complessa potenziale spontaneo: conduttività elettrica e sorgenti ground penetrating radar: costante dielettrica (proprietà direttamente modificate dalla presenza dacqua) PROPRIETA FISICHE UTILIZZATE NEI METODI GEOFISICI

46 Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici

47 tavola dacqua acquifero impermeabile basamento impermeabile piccola scalagrande scala struttura / tessitura Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici

48 tavola dacqua sorgenti evapo-traspirazione struttura / tessitura fluido-dinamica Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici tavola dacqua acquifero impermeabile basamento impermeabile piccola scalagrande scala

49 struttura / tessitura fluido-dinamica contaminazione Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici piccola scalagrande scala sorgenti evapo-traspirazione tavola dacqua acquifero impermeabile basamento impermeabile tavola dacqua

50 Misure geofisiche Modello fisico- matematico (p.es. idrologico) Parametri fisici (p.es. conduttività idraulica) dinamica (fluidi, temperatura) struttura (geometria, geologia) Integrare misure e modelli fisico-matematici che spieghino levoluzione spazio-temporale delle variabili di stato quali il contenuto idrico, la concentrazione di soluti e la temperatura che a loro volta influenzano le variazioni spazio-temporali dei dati geofisici. OBIETTIVO GENERALE STIMARE TUTTE QUESTE COMPONENTI

51 Due approcci: 1)cercare relazioni dirette tra grandezze geofisiche (p.es. velocità sismica, resistività elettrica) e grandezze idrologiche (p.es. conduttività idraulica) Mazac et al., 1985 Cassiani et al., 1998 Cassiani and Medina, 1995

52 Misura geofisica grandezza idrologica misurata (saturazione, concentrazione) Modello idrologico parametri del modello (conduttività idraulica, dispersività, etc.) grandezza idrologica simulata (saturazione, concentrazione) calibrazione IDROGEOFISICA MODELLISTICA Due approcci: 2)calibrare modelli idrologici sulla base di misure geofisiche, per esempio attraverso stime di: - contenuto idrico nel non saturo - resistività / salinità nel saturo

53 Diverse fattori contribuiscono al segnale geofisico. E essenziale essere in grado di separare i diversi contributi. Grain Surface Pore- Solution Contaminant GEOFISICA Conduttività elettrica Caricabilità IP Costante dielettrica …….. contaminazione assorbita fase libera dissolta dinamica ambientale temperatura cont. idrico struttura del suolo mineralogia tessitura porosità Air

54 Diverse fattori contribuiscono al segnale geofisico. E essenziale essere in grado di separare i diversi contributi. Grain Surface Pore- Solution Contaminant GEOFISICA Conduttività elettrica Caricabilità IP Costante dielettrica …….. contaminazione dinamica ambientale temperatura cont. idrico struttura del suolo Air assorbita fase libera dissolta mineralogia tessitura porosità

55 Diverse fattori contribuiscono al segnale geofisico. E essenziale essere in grado di separare i diversi contributi. Grain Surface Pore- Solution Contaminant GEOFISICA Conduttività elettrica Caricabilità IP Costante dielettrica …….. contaminazione dinamica ambientale temperatura cont. idrico struttura del suolo Air assorbita fase libera dissolta mineralogia tessitura porosità

56 Diverse fattori contribuiscono al segnale geofisico. E essenziale essere in grado di separare i diversi contributi. Grain Surface Pore- Solution Contaminant GEOFISICA Conduttività elettrica Caricabilità IP Costante dielettrica …….. contaminazione dinamica ambientale temperatura cont. idrico struttura del suolo Air assorbita fase libera dissolta mineralogia tessitura porosità

57 Misura geofisica quantità idrologica misurata (saturazione, concentrazione) IDROGEOFISICA Geofisica in time-lapse aspetti statici (geologia) aspetti dinamici (idrologia) Metodi applicabili Ground-Penetrating Radar (GPR) Electrical Resistivity Tomography (ERT) etc. Relazioni costitutive tra idrologia e geofisica permittività (GPR) resistività (ERT) Geometria di acquisizione (risoluzione-sensitività) cross-hole surface-to-hole surface-to-surface

58 StrutturaDinamica dei fluidiContaminazione Gravimetria + Metodi magnetici + Sismica + + Geoelettrica + + Metodi Elettromagnetici +++ Polarizzazione Indotta + Potenziale Spontaneo GPR + + NMR ++ Spettrometria gamma + Applicabilità ed utilità dei metodi geofisici di esplorazione per studi ambientali


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