Idrologia e problematiche ambientali

Idrologia e tematiche ambientaliAlluvioniInstabilità dei versanti montaniContaminazione dei suoli e delle acqueImpatto sul clima

Idrologia(fluido-dinamica ambientale)

Geofisica (idro-geofisica)

evaporazioneprecipitazione

condensazionefiume

acqua sotterranea salina

flusso nel saturo

infiltrazione

sorgente

evaporazione

traspirazione

basamentoimpermeabile

aria

film di acqua attornoai grani solidi

acqua

grani solidi

ROCCIA NON SATURAROCCIA SATURA

L’acqua nel sottosuolotrasporta energiamodifica lo stato di stresstrasporta contaminanti

Hillslope dynamics

Catchment

Hillslope

Geomorphologic IUH

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.

flussosuperficial

e

flusso sub-

supeficiale

)(1)( kt

v ek

tf

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]

tavola d’acqua

superficie piezometrica

substrato impermeabile acquifero

strato di confinamento

Aspetti del problema ambientale:

struttura

tavola d’acqua

superficie piezometrica

sorgente

acquifero

strato di confinamento

substrato impermeabile

Aspetti del problema ambientale:

struttura

dinamica dei fluidi

Aspetti del problema ambientale:

struttura

dinamica dei fluidi

presenza di contaminanti

tavola d’acqua

superficie piezometricacontaminanti

sorgente

acquifero

strato di confinamento

substrato impermeabile

La zona non satura (vadosa)

frangiacapillare

tavolad’acqua

zona diritenzione

suolo

eterogeneità

Migrazione dell’acqua ~ verticale

trasporto dei contaminanti

interfaccia con l’atmosfera

meccanica dei suoli e forze capillari

inondazioni e contenuto idrico dei suoli

ha una funzione essenzialenel contenimento della contaminazione:

frangiacapillare

zona diritenzione

suolo1-2 m

0-100 m

2-20 m

tavolad’acqua

• provoca assorbimento specie di metalli pesanti

• ritarda l’arrivo in falda

• genera rimozione per volatilizzazione

• dà tempo ai batteri per operare una biodegradazione aerobica

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.

Il non 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.

[M.Price, 1995]

Il 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.

eterogeneità

frangiacapillare

tavolad’acqua

zona diritenzione

suolo

Migrazione dell’acqua ~ orizzontale

controlla:

flusso di base dei corsi d’acqua

cambiamenti nello stato di stress

trasporto di contaminanti

risorse idricheLe eterogeneità del sottosuologiocano un ruolo determinante

plume

convezionedispersione

sorgente

Il saturo

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.

[M.Price, 1995]

Trasporto di soluti in falda

Questa è la dispersione che avviene alla microscala

Il saturo

L’eterogeneità del sottosuolo genera anche dispersione a scala più grande

mega

micromacro

plume

sand clay

Il saturo

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]

Dall’analisi 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 dall’alto)

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.

Tecnica non applicabile nella pratica comune

Enorme numero di punti di campionamento!

Cape Cod, Mass.Borden, Canada

Il saturo

CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI

sorgente

percorso

recettori

In condizioni ideali, dovrebbe offrire i dati e le informazioni per definire la catena

sorgente -> percorso -> recettore

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

CARATTERIZZAZIONE DEI SITI CONTAMINATI

Il prodotto finale: UN MODELLO CONCETTUALE

SITOMODELLO

CONCETTUALE

CARATTERIZZAZIONE DEL SITO

PROGETTAZIONE DELLA CARATTERIZZAZIONE

la migrazione di contaminantiè 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

[C.W.Fetter, 1999]

Percorsi

Trasporto nel sottosuolo

Il non saturo

Percorsi

Trasporto nel sottosuolo

Il saturo

Percorsi

• mega• macro• micro

Eterogeneitàa varie scale

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.

Sorgenti di contaminazione

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:

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:

Qual è il ruolo della Geofisica?

La geofisica applicata

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)

PROCESSINGINVERSIONE

distribuzionedi P

(stimata)

informazioneper l’utente

(modello concettuale di sito)

ANALISI

FISICA

MISURA ED ANALISI IN GEOFISICA APPLICATA

parametrofisico P

segnale G

MISURA

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)

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

NON UNICITA’ DELLAINTERPRETAZIONE

segnale G

PROCESSINGINVERSIONE

INTERPRETAZIONE

modello concettuale

del sottosuolo 1

modello concettuale

del sottosuolo 2

modello concettuale

del sottosuolo N

segnale NONosservato

modello concettuale

del sottosuolo X

…

segnale G

PROCESSINGINVERSIONE

INTERPRETAZIONE

modello concettuale

del sottosuolo 1

modello concettuale

del sottosuolo 2

modello concettuale

del sottosuolo N

La scelta si effettuasulla base di informazioni ausiliarie,p.es. sulla geologia

…

NON UNICITA’ DELLAINTERPRETAZIONE

segnale G1

PROCESSINGINVERSIONE

INTERPRETAZIONE

modello concettuale

del sottosuolo 1

modello concettuale

del sottosuolo 2

modello concettuale

del sottosuolo n

modello concettuale

del sottosuolo N

segnale G2

PROCESSINGINVERSIONE

INTERPRETAZIONE

……

NON UNICITA’ DELLAINTERPRETAZIONE

METODIGEOFISICI

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

...

?

METODIGEOFISICI

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

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)

PROPRIETA’ FISICHE UTILIZZATE NEI METODI GEOFISICI

Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici

tavola d’acqua

acquiferoimpermeabile

basamentoimpermeabile

piccola scalagrande scala

struttura / tessitura

Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici

tavola d’acqua

sorgentievapo-traspirazione

struttura / tessitura

fluido-dinamica

Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici

tavola d’acqua

acquiferoimpermeabile

basamentoimpermeabile

piccola scalagrande scala

struttura / tessitura

fluido-dinamica

contaminazione

Aspetti del sottosuolo che possono essere evidenziati da metodi geofisici

piccola scalagrande scala

sorgentievapo-traspirazione

tavola d’acqua

acquiferoimpermeabile

basamentoimpermeabile

tavola d’acqua

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

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.

OBIETTIVO GENERALE

STIMARE TUTTE

QUESTE COMPONENTI

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., 1998Cassiani and Medina, 1995

Misura

geofisica

grandezza idrologica misurata

(saturazione, concentrazione)

Modello idrologico

parametridel 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

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 ambientaletemperatura

cont. idrico

struttura del suolo

mineralogia

tessitura

porosità

Air

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 ambientaletemperatura

cont. idrico

struttura del suolo

Air

assorbita

fase libera

dissolta

mineralogia

tessitura

porosità

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 ambientaletemperatura

cont. idrico

struttura del suolo

Air

assorbita

fase libera

dissolta

mineralogia

tessitura

porosità

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 ambientaletemperatura

cont. idrico

struttura del suolo

Air

assorbita

fase libera

dissolta

mineralogia

tessitura

porosità

Misura

geofisica

quantità idrologicamisurata (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 costitutivetra idrologia e geofisica

permittività (GPR)

resistività (ERT)

Geometria di acquisizione(risoluzione-sensitività)

cross-holesurface-to-hole

surface-to-surface

  StrutturaDinamica dei fluidi

Contaminazione

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