RICERCA ITALIANA     

Studio integrato geofisico, geologico, petrofisico e modellistico-matematico di complessi acquiferi alluvionali rappresentativi del sottosuolo padano: relazioni tra scala della ricostruzione idrostratigrafica e modelli di flusso

Università degli Studi di Milano

Abstract

Questa ricerca è il naturale proseguimento di un precedente progetto, i cui risultati si sono rivelati particolarmente positivi e meritevoli di approfondimento.
Il tema della ricerca è lo studio multidisciplinare dell'architettura sedimentaria e della circolazione idrica in complessi acquiferi della pianura padana, concentrandosi in particolare su due aree: l’interfluvio Adda-Lambro (IAL, di pertinenza alpina) e la conoide alluvionale gigante del Fiume Taro (CGT, di pertinenza appenninica).
La complessità del problema si riflette nell'approccio multidisciplinare, che viene perseguito attraverso la cooperazione di quattro unità di ricerca (UR), che includono competenze in settori differenti: sedimentologia e petrografia dei sedimenti, fisica del suolo e dell'atmosfera, idrogeochimica, geofisica applicata, modellistica numerica e analitica, geostatistica, idrologia. Quindi le UR proseguiranno lo studio della circolazione idrica sotterranea con un approccio originale, che consentirà una descrizione appropriata e integrata dell'architettura idrostratigrafica e dei processi di flusso.
L'effettiva cooperazione tra le UR è garantita dalla partecipazione delle UR al progetto precedente, ma anche dalla scelta delle aree di studio, dagli obiettivi del programma e dalle modalità di esecuzione del programma stesso.
Gli obiettivi della ricerca sono sviluppi metodologici nei diversi settori scientifici coinvolti. Questi sviluppi saranno guidati da uno scambio continuo e bi-direzionale di dati e risultati tra il lavoro sul terreno e la modellistica, così che le diverse competenze saranno integrate nell'approccio multidisciplinare proposto.
Come effetto di questi sviluppi metodologici, la ricerca porterà un miglioramento delle conoscenze della struttura fisica dei serbatoi idrici delle aree in esame e dei processi di flusso e trasporto che determinano il bilancio idrico, attraverso stime della ricarica locale e remota, stime dei valori attesi e delle incertezze sulle grandezze idrodinamiche (conducibilità idraulica e trasmissività), l'architettura degli acquitardi superficiali e la loro efficienza nella protezione degli acquiferi dall’inquinamento. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Mauro Giudici Università degli Studi di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto si propone di raggiungere due tipologie di obiettivi. Da un lato produrre nuovi risultati in diversi campi scientifici, attraverso l’approccio multi-disciplinare allo studio della struttura fisica dei serbatoi idrici sotterranei e ai processi di flusso e trasporto. Dall’altro produrre importanti risultati applicativi sui sistemi analizzati e cioè l’interfluvio Lambro-Adda (IAL) e la conoide alluvionale gigante del Taro (CGT).
In particolare per quanto riguarda gli obiettivi metodologici possiamo ricordare:
a) lo sviluppo di un approccio multi-scala per la caratterizzazione di sistemi acquiferi complessi, per tenere conto della eterogeneità e non stazionarietà spaziale delle caratteristiche dei sedimenti e delle proprietà idrodinamiche e quindi per migliorare la modellazione del flusso;
b) lo sviluppo e il confronto di differenti tecniche per la ricostruzione geostatistica della distribuzione spaziale delle proprietà idrodinamiche;
c) l'applicazione di tecniche geofisiche per vincolare la ricostruzione della struttura idrostratigrafica, comprese stime delle incertezze nella interpretazione geofisica;
d) il monitoraggio della composizione chimica e delle caratteristiche isotopiche delle acque meteoriche, superficiali e sotterranee, per migliorare la determinazione delle aree di ricarica e dei percorsi di flusso;
e) la valutazione dell'infiltrazione efficace attraverso monitoraggio di parametri meteorologici e dei suoli e modelli di trasporto nel sistema suolo-vegetazione-atmosfera, da accoppiare sia con monitoraggio del contenuto di vapore acqueo in atmosfera sia con modelli di flusso idrico sotterraneo;
f) lo sviluppo di modelli di flusso per sistemi acquiferi complessi e l'analisi completa delle difficoltà legate ai processi non-lineari.
La novità principale di questi risultati consiste nel fatto che gli sviluppi proposti in ogni specifico settore saranno guidati dall'approccio multidisciplinare, nel senso che i nuovi strumenti e i nuovi concetti interpretativi in ciascun settore dipenderanno dalle altre metodologie: la modellazione sarà dedicata alla soluzione di problemi individuati dalle osservazioni sul campo, mentre i dati di terreno dovranno essere raccolti in modo tale da essere usati in modo appropriato come dati in ingresso per i modelli numerici o per eseguire confronti con le previsioni dei modelli. La raccolta dei dati, la loro interpretazione e i risultati dei modelli dovranno tenere conto dei diversi effetti di scala. All'interno di questo quadro, la cooperazione tra le UR già sperimentata in progetti precedenti sarà fondamentale per garantire il raggiungimento degli obiettivi.
Per quanto riguarda gli aspetti applicativi, possiamo ricordare:
a) le stime del rapporto tra ricarica locale e remota, che è un importante contributo al bilancio idrico globale e per valutare eventuali stati di crisi delle risorse idriche sotterranee;
b) l'incertezza sulla struttura geologica, sui dati misurati e sull'eterogeneità dei parametri degli acquiferi;
c) la valutazione dell'efficacia di diverse famiglie di dati (stratigrafie, prospezione geofisica, dati idraulici, geochimici, meteorologici, ecc.) per limitare l'incertezza associata con le previsioni dei modelli e per raggiungere una effettiva integrazione di dati quantitativi ("hard") e descrittivi ("soft"). <<<

Risultati parziali attesi

I risultati scientifici generali attesi da questo progetto sono quelli già descritti come obiettivi del progetto.
Vengono qui approfonditi alcuni risultati specifici relativi alle tre fasi del progetto. In particolare per le prime due fasi si tratta di risultati parziali, necessari per l’efficace proseguimento della ricerca nelle fasi successive. Per l’ultima fase, i risultati hanno ovvie potenzialità applicative di cui potranno avvantaggiarsi le amministrazioni locali e regionali, le Istituzioni e le Società che governano e gestiscono il servizio idrico integrato nelle due aree o che si occupano della protezione e recupero delle risorse idriche sotterranee.

I fase: avvio
In questa prima fase si prevede:
a) La definizione del quadro di riferimento geologico, idrogeologico e idrologico basato sulle conoscenze precedenti;
b) La determinazione delle esigenze di adeguamento della base di dati esistenti.
c) La pianificazione della raccolta di dati originali sul terreno.
d) La definizione degli obiettivi delle prove modellistiche.
e) Le caratteristiche dei dati in ingresso e uscita per i modelli che saranno sviluppati al fine di migliorare lo scambio di risultati tra modellistica e sperimentazione.
f) Le caratteristiche di casi di prova sintetici per i modelli sviluppati.

II fase: fase principale
In questa seconda fase si prevede:
a) La realizzazione di modelli geofisici, geologici e idrostratigrafici semiquantitativi sia alla scala locale che di bacino.
b) La caratterizzazione geofisica dei sedimenti a scale diverse.
c) La raccolta dei parametri idrodinamici fondamentali per modellare il flusso idrico sotterraneo.
d) La realizzazione di mappe delle caratteristiche idrostratigrafiche e dei parametri idrogeologici.
e) La ricostruzione geostatistica e simulazione stocastica delle facies o della distribuzione della conducibilità.
f) La determinazione del tensore di conducibilità equivalente per diversi elementi architetturali.
g) L’elaborazione di modelli di flusso e la realizzazione di relativi codici di calcolo.

Risultati finali
I risultati finali del progetto saranno infine diffusi attraverso pubblicazioni scientifiche su riviste a diffusione internazionale e nazionale, comunicazioni a congressi nazionali e internazionali e la organizzazione di un workshop specifico.
Inoltre la redazione di cartografia tematica renderà i risultati di più facile consultazione e utilizzo per le pubbliche amministrazioni e altri soggetti (gestori del servizio idrico integrato, aziende regionali per la protezione dell’ambiente, ecc.). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

N.B. La maggioranza dei riferimenti bibliografici rimanda alla bibliografia presentata nei modelli B delle singole UR: il numero romano indica l’UR e il numero arabo il numero d’ordine progressivo nella bibliografia dei modelli B.

La ricerca affronta alcuni problemi legati al flusso idrico sotterraneo lungo un transetto ubicato nella zona centrale della pianura padana, che attraversa diversi settori dei sistemi acquiferi padani, corrispondenti a sedimenti alluvionali di provenienza alpina e appenninica.
Il riempimento quaternario del bacino della pianura padana è un gruppo regressivo di sequenze deposizionali, che ha rimpiazzato i depositi marini del Pliocene-Pleistocene inferiore durante gli ultimi 1.8 milioni di anni. Il delta padano e la linea di costa nell'avampaese appenninico si sono spostati verso est-sudest, per effetto della propagazione verso nord dei fronti di sovrascorrimento esterni dell'Appennino sotto il controllo dei cicli climatici glaciali e interglaciali. Nell'area lombarda ed emiliana, dal tardo Pleistocene Medio, i sistemi deposizionali alpini e appenninici (variabili da conoidi alluvionali a depositi fluviali meandriformi) si sono interdigitati con il sistema deposizionale assiale del paleo-Po. Nelle due aree di studio l'interferenza tettonica con la deposizione alluvionale è mostrata in superficie dal rilievo di San Colombano al Lambro e dal rilievo sepolto in corrispondenza dell'allineamento dei centri di Fontevivo, Collecchio e Monticelli Terme nella valle del Taro.
La ricostruzione della stratigrafia Plio-Quaternaria dell'area Milano-Bologna è stata analizzata soprattutto con gli studi profondi condotti da ENI-AGIP e dalle compagnie petrolifere associate [III.3] e con le indagini più superficiali basate soprattutto sull'analisi dei pozzi per acqua, che hanno portato ai modelli concettuali geologici e idrogeologici tradizionali del sottosuolo padano [I.3, I.35]; questa ricostruzione è stata usata per diversi anni per calcolare bilanci idrologici a scala regionale. Studi recenti, promossi dalla Regione Emilia-Romagna e dalla Regione Lombardia in collaborazione con ENI-AGIP [I.33, I.34], hanno fornito, grazie all'integrazione di dati di pozzo e geofisici (soprattutto sismici), uno schema idrostratigrafico a larga scala della successione di sedimenti quaternari, in prevalenza alluvionali, dell'area di studio, riconoscendo quattro gruppi acquiferi principali, etichettati con le lettere da A a D.
L'elaborazione delle mappe di vulnerabilità a scala 1:250.000, il rilevamento della nuova generazione della Carta Geologica d'Italia a scala 1:50.000 (Progetto CARG) e le indagini sul sottosuolo che hanno preceduto la realizzazione della linea ferroviaria ad alta velocità Milano-Bologna (TAV) hanno fornito nuovi dati sul sottosuolo e aperto nuove domande sull'architettura dei sistemi di deposizione alluvionali.
Un contributo all’avanzamento di queste conoscenze per due aree chiave (l’interfluvio Adda-Lambro sul lato alpino e la conoide gigante del Taro sul lato appenninico) è venuto da un precedente progetto PRIN, del quale il presente costituisce un naturale proseguimento. L’inquadramento geologico specifico di queste due aree si trova nei modelli B delle UR #1 e 3.
La ricarica degli acquiferi proviene principalmente da:
a) infiltrazione dell'acqua attraverso il suolo e la zona insatura;
b) interazione fiume-falda, cioè la percolazione attraverso il letto fluviale in aree di contatto idraulico tra le acque superficiali e sotterranee;
c) flusso orizzontale attraverso il bordo dell'acquifero nell'area studiata.
I punti a) e b) rappresentano la ricarica locale, mentre il punto c) è legato alla ricarica remota, in aree dell'acquifero esterne all'area di studio. Il gruppo acquifero più superficiale (Gruppo A) viene ricaricato localmente dal reticolo idrografico e solo in alcune zone dalla infiltrazione diretta attraverso il suolo e la zona insatura, mentre la ricarica remota può essere importante soprattutto per i complessi acquiferi più profondi.
La determinazione della ricarica dell'acquifero e del flusso idrico sotterraneo fa parte di un bilancio idrologico complesso, che richiede la conoscenza delle precipitazioni, dell’evaporazione dal suolo, della traspirazione, dello scorrimento superficiale, per ricavare infine l’infiltrazione attraverso il suolo e la zona insatura fino alla tavola d’acqua. La parametrizzazione del flusso di vapore (flusso di calore latente) dalla superficie del suolo ha attirato una crescente attenzione [II.3]: l'evaporazione dal suolo è controllata principalmente dalle condizioni dell'atmosfera se il suolo è vicino alla saturazione, e dalle caratteristiche del suolo se il suolo non può rilasciare la quantità di acqua "richiamata" dall'atmosfera [II.4, II.5]. D'altra parte, il contenuto idrico del suolo ne determina le proprietà idrauliche. Pertanto, la velocità di ricarica delle acque sotterranee dipende da molti parametri, in generale può essere stimata solo in modo indiretto e varia nel tempo e nello spazio. Anche la stima della velocità di infiltrazione da fiumi, canali e laghi è difficile, perché, in generale, non può essere misurata direttamente: essa dipende dalle condizioni di infiltrazione locali e spesso questi effetti non possono essere valutati in modo preciso.
La provenienza delle acque sotterranee, la loro circolazione e l'eventuale miscelamento [3] possono essere analizzati con indagini geochimiche e isotopiche. Infatti, le caratteristiche isotopiche della precipitazione sono abbastanza note nell'area Mediterranea [1] e, in particolare, nel bacino del Po [2]; esse dipendono dal complesso regime delle perturbazioni e dall'orografia dell'area in cui avvengono le precipitazioni. Pertanto, indagini sistematiche sulla composizione chimica e sulla geochimica isotopica delle acque meteoriche, superficiali e sotterranee possono migliorare la determinazione delle aree di ricarica e dei percorsi di circolazione delle acque sotterranee.
La complessità dei processi tettonici e deposizionali che caratterizzano le pianure alluvionali rende i sistemi acquiferi alluvionali molto eterogenei [I.2].
Il flusso idrico può essere modellato alla scala delle eterogeneità di facies (su lunghezze di scala tra il centimetro e il metro) solo in aree ristrette per analoghi di acquifero in zone di affioramento di sedimenti fluvio-glaciali; diversi metodi [I.18, I.22, I.36, I.44] possono essere applicati per studiare gli effetti dell'eterogeneità di facies a scala fine su flusso e trasporto a larga scala [I.7, I 27, I.37, I.41, I.43]. La caratterizzazione dell'eterogeneità dell'acquifero può essere basata su modelli inversi [I.17, I.21, I.23, I.29, I.32, I.40, I.45, I.46].
Alla scala di bacino la deposizione di sedimenti fluviali produce strutture stratificate (eterogeneità stratificata) [I.19]. Comunemente, tali geometrie vengono modellate su lunghezze di scala maggiori dello spessore dei singoli livelli deposizionali, con modelli quasi-3D [I.5], che rappresentano una valida alternativa a modelli completamente 3D; questi ultimi possono essere calibrati e validati solo raramente per la mancanza di dati sufficienti [I.6], al più con l'eccezione di aree molto piccole, attrezzate con numerosi strumenti di misura e campionate densamente nello spazio e nel tempo.
La modellazione di questo tipo di sistemi acquiferi pone ancora alcuni problemi legati alla non-linearità del sistema di equazioni algebriche, alle brusche eterogeneità introdotte nei parametri dei modelli per descrivere le finestre idrogeologiche, cioè le zone dove scompaiono gli acquitardi, la dipendenza dai parametri delle procedure iterative di soluzione.
La variabilità spaziale delle proprietà idrogeologiche del mezzo e della ricarica delle acque sotterranee è molto complessa e può essere descritta usando le tecniche geostatistche e analizzando il flusso nel sottosuolo con un approccio stocastico. Ciò permette di ottenere non solo la "miglior stima" dei parametri legati al flusso idrico sotterraneo, ma anche di valutare l'incertezza associata alle previsioni.
Un importante contributo per vincolare la ricostruzione geometrica dell'eterogeneità del sottosuolo può essere dato dalla prospezione geofisica. I rilievi geoelettrici ed elettromagnetici sono stati applicati con successo in diversi contesti idrogeologici [IV.1-IV.8], perché sono legati alla conducibilità elettrica, che dipende dalla porosità, dalla saturazione e dalla concentrazione di sali nell'acqua del suolo. La sismica ad alta risoluzione può evidenziare anche strati piuttosto sottili. La profondità di indagine può arrivare a diverse centinaia di metri per applicazioni alla caratterizzazione geometrica delle strutture idrostratigrafiche [IV.9-IV.17]. La tecnica georadar (Ground Probing Radar) è caratterizzata da ottima risoluzione spaziale e viene utilizzata soprattutto in indagini superficiali di dettaglio, perché la penetrazione del segnale elettromagnetico è limitata a una dozzina di metri e si riduce ulteriormente in presenza di limi e argille o per suoli saturi [IV.18, IV.19]. Alcune applicazioni del metodo NMR dalla superficie, associato a metodi GPR e TEM, sono state riportate come esempi positivi nella letteratura [IV.20-IV.23].

Bibliografia
[1] Gat &amp; Carmi, Evolution of the isotopic composition of atmospheric waters in the Mediterranean sea area. J. Geophys. Res., 75, 3039-3048, 1970.
[2] Longinelli &amp; Selmo, Isotopic composition of precipitation in Italy: a first overall map, J. Hydrol., 270, 75-88, 2003.
[3] Rozanski et al., Isotopic patterns in modern global precipitation. AGU Geophys. Monog., 78, 1-37, 1993. <<<