RICERCA ITALIANA     

CONTROLLO, PROTEZIONE E GESTIONE DELLE RISORSE IDRICHE SOTTERRANEE. IL CONTRIBUTO DI METODI GEOFISICI INNOVATIVI.

Università degli Studi di Cagliari

Abstract

Il progetto prevede l’impiego di metodi geofisici innovativi nella ricerca idrogeologica applicata nei suoi diversi aspetti. Il ricorso ai metodi geofisici di nuova generazione può consentire di fornire agli idrogeologici notevoli contributi utili alla comprensione dei fenomeni di inquinamento sia da intrusione marina, sia da sversamenti industriali diversi, sia ancora per l’interazione tra le acque superficiali, i sedimenti di alveo e le falde. Infatti, oltre che a definire con migliore approssimazione di quanto fatto in passato, la geometria degli acquiferi, si potrà valutare lo stato delle acque contenute, i legami chimico fisici con i suoli e, con misure ripetute nel tempo , si potrà descrivere meglio l’evoluzione dei fenomeni di inquinamento. Ciò può avere una decisiva importanza nella protezione ambientale e conseguentemente nella pianificazione di un territorio.
Naturalmente verranno studiate preliminarmente le tecniche, le modalità di applicazione delle diverse metodologie innovative e i vari problemi di trattamento dei dati e di inversione , tipici del percorso geofisico, ma reso complesso perché si tratta di metodi assolutamente innovativi nell’intero panorama internazionale. Perciò dopo aver acquisito la strumentazione necessaria e in qualche caso aver avviato un percorso di progettazione di prototipi, saranno studiati i metodi della Resistività Complessa o della Polarizzazione Indotta Spettrale( C.R.M. o S.I.P.), della Risonanza Magnetica Nucleare (NMRS), della Tomografia di Processo (ERT), della Tomografia Elettrica in Time Lapse (TLERT)e di Metodi Elettromagnetici Multifrequenza (GEM), dei Sondaggi Elettromagnetici in dominio di tempo TDEM). Saranno definiti per ciascuno di questi metodi, i limiti di applicazione, i criteri operativi, le necessità strumentali, le potenzialità nei diversi campi di applicazione. Successivamente verrà effettuata la ricerca applicata. Inizialmente sarà eseguita una sperimentazione su campioni con l’uso di apparati diversi tra cui un sistema ad ultrasuoni di ultima generazione per la caratterizzazione delle rocce costituenti l’acquifero. Saranno inoltre applicate direttamente in campi prova reali molte delle tecniche oggi giudicate innovative.
Per quanto riguarda l’intrusione marina, si prevede l’applicazione diretta su alcuni test sites, collocati nelle isole maggiori e nella laguna di Venezia, mentre I fenomeni di inquinamento dei suoli e delle falde da sversamenti industriali saranno invece studiati in un sito nei pressi di Roma e in un altro in Sardegna. Sul fiume Po saranno invece svolte le indagini sulle interazioni tra i sedimenti, le acque fluviali e le falde sottostanti. Al termine del percorso sperimentale saranno definiti i protocolli di applicazione e proposti ( per i più promettenti anche sotto l’aspetto costi-benefici) i termini di un’applicazione sistematica.
Ma la ricerca non sarà solamente dedicata al riconoscimento geometrico degli acquiferi e della qualità delle acque sotterranee, ma anche ad aspetti ancora più ingegneristici: la protezione delle falde e la gestione delle acque sotterranee.
Per la protezione saranno riavviate sperimentazioni per l’uso di barriere elettriche all’inquinamento in condizioni di bacino di limitate estensioni (Geofisica Attiva), mentre per la gestione delle acque saranno studiati sistemi di monitoraggio geofisico con analisi in tempo reale che consentirà di ottimizzare i processi di modellazione numerica posti alla base di una corretta gestione dei bacini. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Gaetano Ranieri Università degli Studi di CAGLIARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’obiettivo principale del presente progetto è la realizzazione , attraverso lo studio di appropriati sistemi di diagnosi e di monitoraggio, di protocolli di interesse per la Protezione Ambientale. Verrà preso in esame l'importante aspetto della protezione delle acque sotterranee e la vulnerabilità degli acquiferi all’inquinamento naturale (intrusione salina) o di origine antropica (discariche di rifiuti urbani, insediamenti industriali); Per aumentare l’efficacia dello studio e l’immediato trasferimento agli utilizzatori, si opererà per determinare lo stato di salute delle risorse idriche sotterranee e a definire metodologie e procedure che possano essere utilizzate a grande scala di interesse soprattutto di pianificatori territoriali e ingegneri ambientali, ma anche in una scala di dettaglio, di interesse di idrogeologi e, ancora, di ingegneri ambientali e di pianificatori territoriali . Verranno studiati i rapporti con i suoli e con le acque superficiali , definite le geometrie degli acquiferi e caratterizzati i siti per il loro stato di contaminazione. Attraverso un codificato sistema di monitoraggio effettuato in tempo quasi reale, si potrà inoltre avere un’idea della dinamica dei fenomeni di inquinamento. Gli esiti di tale monitoraggio, effettuato in alcuni punti salienti del territorio, potranno essere utilizzati assieme al monitoraggio idrogeologico-chimico, come vincoli nella modellazione “dinamica” dell’acquifero e nella previsone dell’evoluzione dei fenomeni di inquinamento . Captazione di acqua dal sottosuolo o processi di ricarica potranno essere seguiti nella loro evoluzione. La risorsa idrica sotterranea potrà essere gestita nel modo migliore.
La ricerca sarà necessariamente anche di tipo metodologico. Verranno infatti utilizzati metodi di nuova generazione, quali quelli della Resistività Complessa ( o Polarizzazione Indotta Spettrale), della Risonanza Magnetica Nucleare e quello della Tomografia Elettrica in Time Lapse, di cui rimangono ancora da studiare e definire molti aspetti sia sotto il profilo teorico che sotto quello pratico dell’applicazione (anche in campi diversi) e in ambienti di misura diversi, dalla superficie del suolo, dalla superficie di laghi o fiumi, in fori di sonda.
Infine verrà riconsiderata la possibilità di utilizzazione della geofisica non solo sotto l’aspetto diagnostico ma anche in modo attivo, per trasformare in loco uno stato fisico del sottosuolo, realizzando quindi una protezione delle falde. <<<

Risultati parziali attesi

In questo progetto ci si propone di realizzare:
•Implementazione tecnica, teorica e miglioramenti metodologici dei metodi applicati;
•Definizione delle capacità risolutive, dei vantaggi e dei limiti di applicazione (anche economici) di ogni singolo metodo in rapporto al problema studiato;
•Standardizzazione dei metodi geofisici innovativi applicati per il riconoscimento della qualità dell’acqua sotterranea, degli inquinanti eventualmente presenti, del loro percorso nel sottosuolo, del loro rapporto reciproco e con i suoli a contatto ;
•Standardizzazione di metodi geofisici per la caratterizzazione dei siti contaminati e dei siti costieri soggetti ad intrusione marina,
•Definizione geometrica degli acquiferi;
•Determinazione di nuove relazioni tra parametri geofisici e parametri idrogeologici;
•Messa a punto d protocolli per una applicazione sistematica dei metodi risultati maggiormente efficaci nella ricerca, nel controllo, nella protezione, nel monitoraggio delle risorse idriche sotterranee;
•Messa a punto di protocolli per una applicazione sistematica dei metodi geofisici nella caratterizzazione di siti industriali e delle discariche di rifiuti ad integrazione dei metodi diretti e chimici normalmente usati;
•Realizzazione di un sistema di monitoraggio geofisico periodico con teletrasmissione dei dati a distanza;
•Impianto di modellazione numerica dell’acquifero, condizionata dalle risultanze geofisiche in tempo quasi reale, per la descrizione e previsione dell’evoluzione dei fenomeni di inquinamento, interazione con gli idrogeologi modellisti ;
•Individuazione dei rapporti tra acque superficiali e falde, dei processi di filtrazione e del trasporto solido dei fiumi;
•Messa a punto di prototipi per la misura dalla superficie di acque interne dei parametri interessanti l’inquinamento delle falde sotterranee;
•Individuazione di parametri ottimali per la realizzazione di un sistema fisico attivo di protezione delle falde da inquinanti salini e metallici;
•Approntamento di prototipi con possibilità di brevetti. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Le acque sotterranee rappresentano in molte zone a clima temperato mediterraneo la risorsa idrica più importante e più preziosa, in molti casi l’unica risorsa disponibile in altri quella che potrebbe rappresentare una scorta utilizzabile negli eventuali e brevi periodi di siccità indotti da varie cause, tra cui anche quella di condizioni meteo-idro-pluviometriche straordinarie .
Per effetto di sfruttamento intensivo (per esempio nelle aree costiere) o per effetto di sversamenti di inquinanti dalla superficie nelle zone industriali o nelle zone urbane o in corrispondenza di acque interne fortemente utilizzate dall’uomo, le risorse idriche sotterranee sono in stato di depauperamento e sono soggette a fenomeni di inquinamento spesso intensi ed è perciò determinante il processo di conoscenza dello stato dell'acquifero attraverso semplici analisi idrogeologiche, chimiche e batteriologiche, ma anche con il monitoraggio nel tempo e con la determinazione della reattività dell'acquifero alle sollecitazioni di prelievo e di ricarica.
Attualmente lo stato di salute di un acquifero o la sua vulnerabilità viene determinato da analisi "puntuali", su campioni provenienti da fori di sonda o direttamente in fori di sonda e pertanto anche le carte di vulnerabilità costruite soprattutto su questi elementi hanno una maggiore validità in una scala ampia piuttosto che ad una di dettaglio.
Sebbene, infatti, i livelli di falda ai piezometri e la qualità delle acque siano degli indicatori precisi delle condizioni dell’acquifero vicino ai pozzi, rimangono comunque sempre informazioni puntuali, che consentono solo una visione parziale dell’acquifero. Accanto quindi ad un approccio idrologico e geochimico al problema è importante affiancare indagini geofisiche che, più delle altre, possono fornire informazioni areali o di volume di buon dettaglio sia dal punto di vista geometrico sia della qualità attraverso misure della conducibilità elettrica. Con le metodologie geofisiche possono essere studiati gli acquiferi in termini di geometria e confini, almeno in linea di principio; si possono anche conoscere il livello della falda idrica e lo spessore dello strato saturo, anche dove non esistono pozzi che consentano una misura diretta; ancora, si può studiare la zona di intrusione marina su tutta l’estensione dell’acquifero (Ranieri,2004).
I metodi geoelettrici a corrente continua (metodi a resistività ed a polarizzazione indotta con misure nel dominio del tempo ed in alcuni casi il metodo georadar) rappresentano i metodi più ampiamente utilizzati nei problemi di ingegneria ambientale.
In tempi più recenti le accresciute potenzialità dei metodi geofisici, hanno consentito di avere una descrizione dell'andamento di un certo parametro fisico in sezioni predefinite, proprio per rappresentare fenomeni di inquinamento (Godio e Naldi, 2003, Godio e Ferraris 2004) o di intrusione salina (Barrocu e Ranieri, 2000) o, addirittura, una rappresentazione a quattro dimensioni del sottosuolo. Evoluti sistemi di rappresentazione, infatti, consentono oggi di visualizzare un parametro fisico nella corretta posizione nel semispazio sotterraneo. I metodi geofisici , e segnatamente quelli elettrici ed elettromagnetici, sono divenuti ormai tecniche ingegneristiche adatte ad un controllo degli acquiferi anche in modo sufficientemente celere. Essi appaiono i più promettenti per rilevare in modo economico, non distruttivo,e soprattutto in tempo quasi reale i fenomeni di inquinamento.
Il controllo può essere applicato sia nel caso di inquinamento naturale (intrusione salina), sia nell'inquinamento da fonte industriale (suoli e falde sotterranee)(Barbieri et alii, 2004), sia per l'inquinamento prodotto da discariche di rifiuti. Indagini geoelettriche in pozzo sono state inoltre eseguite da vari autori (Wanhala et al. 1992) per seguire i processi di bonifica in un sito inquinato da tricloroetilene
Inoltre il controllo geofisico può essere applicato per la conoscenza del trasporto solido nei fiumi (Sambuelli, 2005) o per conoscere lo stato eutrofico delle acque interne (Ranieri et al., 2003).
In tempi più recenti è stato messo a punto un sistema di controllo della presenza e della qualità delle acque sotterranee. In realtà esso è l'unico metodo direttamente sensibile alla presenza di acqua. Il metodo è quello dei sondaggi di risonanza magnetica nucleare (NMRS). Proposto da Legchenko et al. nel 1990, implementato da Shushakov, 1996 è stato sviluppato commercialmente dalla IRIS instruments che è oggi l'unica produttrice al mondo di apparato NMR per le misure in campagna. I software di inversione sono stati sviluppati invece da Hertrich and Yaramanci nel 2002, Yaramanci, 2004 e da Braun et al., 2006. Diverse applicazioni in diverse condizioni geologiche e di disturbo sono descritti da Bernard,2005 e da Plata e Rubio 2006. Il metodo appare adatto a determinare la quantità di acqua nel sottosuolo fino a profondità di 100 metri ed oltre , ma non è ancora adatto a distinguere l’acqua non contaminata da quella contaminata.
Altri metodi geofisici innovativi quali il TDEM (Ranieri,2000) o lo STRATAGEM o altri metodi Audio- Magneto -Tellurici (Unsworth and Bredosian, 2004) o, ancora , la polarizzazione indotta spettrale (Chambers et al. 2003), ( Ramirez et al. 1996) o la tomografia elettrica tempovariante (ERT-TL) (Barker and Moore, 1998) sono stati recentemente utilizzati nel controllo delle acque sotterranee in ambienti diversi. Altri metodi possono essere ritenuti innovativi perché applicabili in contesti non tradizionali, come dalle superfici liquide (Butler et al. , 2004) o in ambienti industriali (Barbieri et al. 2003).Essi prevedono l’impiego di metodi elettrici ed elettromagnetici a frequenza diversa, adattati all’uso nelle particolari condizioni. Anche metodi sismici ad alta risoluzione sono stati utilizzati per la conoscenza di strutture profonde e per fornire elementi di condizionamento nel processo di inversione geo-elettrica (Deidda et al.2005).
Oltre al controllo dello stato di salute nel mondo scientifico, ma anche in quello dei responsabili delle comunità è molto sentito il problema della gestione e della protezione delle falde.
Una volta accertato lo stato di salute dell'acquifero e le condizioni di inquinamento, occorre mettere in atto sistemi di prevenzione. Fino ad oggi i sistemi di prevenzione utilizzati sono stati di tipo idrogeologico (Beretta et al., 1987). In qualche caso si sono proposti sistemi meccanici. In passato sono stati studiati addirittura sistemi di tipo fisico, con realizzazione di barriere elettriche (Barbieri et al., 1988, 1990), che avevano mostrato una certa validità in laboratorio, ma difficoltà di interventi pratici (anche per la cattiva scelta dei siti).
Infine l'utilità del controllo geofisico è stata dimostrata anche nella modellazione degli acquiferi e delle dinamiche che vi si instaurano, che oggi viene utilizzata per arrivare a definire gli scenari futuri.. Infatti la conoscenza delle condizioni, anche nel tempo, del livello e delle caratteristiche delle falde sotterranee può consentire una migliore attendibilità nella predizione del movimento delle acque e dell'inquinante.


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