Idrologia e problematiche ambientali

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

Hillslope dynamics Catchment Geomorphologic IUH Hillslope

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. 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] flusso superficiale flusso sub-supeficiale flusso idrico sotterraneo

Aspetti del problema ambientale: struttura tavola d’acqua superficie piezometrica strato di confinamento substrato impermeabile acquifero

Aspetti del problema ambientale: struttura dinamica dei fluidi sorgente tavola d’acqua superficie piezometrica strato di confinamento substrato impermeabile acquifero

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

La zona non satura (vadosa) eterogeneità Migrazione dell’acqua ~ verticale trasporto dei contaminanti interfaccia con l’atmosfera meccanica dei suoli e forze capillari inondazioni e contenuto idrico dei suoli suolo zona di ritenzione frangia capillare tavola d’acqua

Il non saturo ha una funzione essenziale nel contenimento della frangia capillare zona di ritenzione suolo 1-2 m 0-100 m 2-20 m tavola d’acqua ha una funzione essenziale nel contenimento della contaminazione: provoca assorbimento specie di metalli pesanti ritarda l’arrivo in falda genera rimozione per volatilizzazione dà tempo ai batteri per operare una biodegradazione aerobica Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

Il non saturo Sotto la tavola d’acqua, i pori sono saturi al 100%, con pressione che aumenta con la profondità. La tavola d’acqua si può definire come la superficie dove la pressione è atmosferica. Sopra la tavola d’acqua c’è 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. Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

Il saturo I contaminanti penetrano dalla superficie, attraverso il suolo ed il non saturo, raggiungono la falda freatica ed iniziano a seguire il moto dell’acqua nel saturo. Il moto di contaminanti in fase disciolta è chiaramente controllato in prima istanza dal moto dell’acqua 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 nell’acquifero. Entrambi i meccanismi sono dovuti al moto idrico, considerato dall’osservatore a scale fisiche diverse. [M.Price, 1995] Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

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

Trasporto di soluti in falda Il saturo Trasporto di soluti in falda 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 dell’acqua nei diversi percorsi nel mezzo poroso. La dispersione trasversale è causata dalla separazione e tortuosità dei canali porosi. Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10 [M.Price, 1995] Questa è la dispersione che avviene alla microscala

mega macro micro Il saturo L’eterogeneità del sottosuolo genera anche dispersione a scala più grande plume sand clay mega macro micro

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

Il saturo Dall’analisi dei momenti spaziali dei plume di soluti è possibile ricavare la macro-dispersività, e da questa le statistiche del campo di K (Vista dall’alto) Borden experiment: plume di bromuro [Barry and Sposito, 1988] Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

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

CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI In condizioni ideali, dovrebbe offrire i dati e le informazioni per definire la catena sorgente -> percorso -> recettore recettori sorgente percorso Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI Gli obiettivi sono: determinare la natura e l’estensione 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 Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

Il prodotto finale: UN MODELLO CONCETTUALE CARATTERIZZAZIONE DEL SITO SITO MODELLO CONCETTUALE Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10 PROGETTAZIONE DELLA CARATTERIZZAZIONE

Percorsi la migrazione di contaminanti è governata da molti [C.W.Fetter, 1999] Percorsi la migrazione di contaminanti è governata da molti meccanismi fisici, chimici e biologici il più importante: trasporto con l’acqua nel saturo e nel non saturo ma altrettanto cruciali: flusso come fase separata (DNAPL o LNAPL) assorbimento/desorbimento dalla matrice solida biodegradazione Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

Trasporto nel sottosuolo Percorsi Trasporto nel sottosuolo Il non saturo Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

Trasporto nel sottosuolo Percorsi Trasporto nel sottosuolo Il saturo Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

Eterogeneità a varie scale mega macro micro

Sorgenti di contaminazione LNAPL (light NAPL) e DNAPL (dense NAPL) penetrano per gravità e per battente d’olio. 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 dell’acquifero. 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. Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI Gli strumenti sono: 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 Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI Gli strumenti sono: 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 Sources: Morris and Therivel, Chapters 2, 3, 5, 6 DoE: App. 1, App 4, App. 9, App.10

Qual è il ruolo della Geofisica?

La geofisica applicata

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

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

è il modello diretto G = G(P, F) Per esempio: 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) G = campo gravitazionale, P = densità, F = campo della Terra (gravimetria) (metodo passivo)

è il modello inverso P = G-1(G, F) Per esempio: 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 deriva la distribuzione di suscettività da misure magnetiche deriva la distribuzione di densità da misure gravimetriche

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

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

PROCESSING INVERSIONE INTERPRETAZIONE segnale G1 … PROCESSING modello concettuale del sottosuolo 1 NON UNICITA’ DELLA INTERPRETAZIONE PROCESSING INVERSIONE INTERPRETAZIONE segnale G1 modello concettuale del sottosuolo 2 … modello concettuale del sottosuolo n PROCESSING INVERSIONE INTERPRETAZIONE segnale G2 … modello concettuale del sottosuolo N

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

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

L’obiettivo dell’applicazione 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”

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

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

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)

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

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 (proprietà direttamente modificate dalla presenza d’acqua)

Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici 46

Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici struttura / tessitura tavola d’acqua acquifero impermeabile basamento impermeabile grande scala piccola scala 47

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

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

Modello fisico-matematico OBIETTIVO GENERALE Integrare misure e modelli fisico-matematici che spieghino l’evoluzione 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. Modello fisico-matematico (p.es. idrologico) Misure geofisiche STIMARE TUTTE QUESTE COMPONENTI struttura (geometria, geologia) Parametri fisici (p.es. conduttività idraulica) dinamica (fluidi, temperatura)

Due approcci: 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

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

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

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

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

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

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

Applicabilità ed utilità dei metodi geofisici di esplorazione per studi ambientali   Struttura Dinamica dei fluidi Contaminazione Gravimetria + Metodi magnetici Sismica + + Geoelettrica Metodi Elettromagnetici Polarizzazione Indotta Potenziale Spontaneo +  GPR NMR + + Spettrometria gamma