A GIS-based approach and statistical analysis to identify groundwater hydrogeochemical processes of...

POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010

A GIS-BASED APPROACH AND STATISTICAL ANALYSIS TO IDENTIFY GROUNDWATER

HYDROGEOCHEMICAL PROCESSES OF THE MT. VULTURE

VOLCANIC AQUIFER (SOUTHERN ITALY)SERENA PARISI, FILOMENA CANORA, GIUSEPPE SPILOTRO

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELLA BASILICATADipartimento di Strutture, Geotecnica e Geologia Applicata

[email protected]

Serena PARISI

OBIETTIVIOBIETTIVI

2

INDIVIDUARE E DEFINIRE I CARATTERI IDROGEOCHIMICI DELLE ACQUE DEL SISTEMA IDROGEOLOGICO DEL MONTE VULTURE ATTRAVERSO LO STUDIO DELLA DISTRIBUZIONE

SPAZIALE DEI DATI COMBINATA CON L’ANALISI STATISTICA MULTIVARIATA

Comprendere l’origine e l’evoluzione idrogeochimica delle acque di circuitazione del bacino idrominerario.

Risalire alle caratteristiche idrogeologiche dell’acquifero, caratterizzare il bacino di alimentazione, individuare i mix idrogeochimici in relazione alle eventuali diverse circuitazioni confluenti.

Confermare lo schema di circolazione idrica sotterranea fondamentale per la conservazione e la gestione sostenibile della risorsa idrica in esame.

Definire i fattori che condizionano la circuitazione idrica sotterranea.

INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010

Serena PARISI

D’Orazio et al., 2007

INQUADRAMENTO GEOLOGICO REGIONALE

INQUADRAMENTO GEOLOGICO REGIONALE

Da Bonardi et al., (2009)

3

(Da D’Orazio et al., 2007)


Serena PARISI

SCELTA DEL CONTESTO TERRITORIALESITO APPLICATIVO: ACQUIFERO DEL MONTE VULTURE ACQUIFERO DEL MONTE VULTURE

130 km2

► Ampia circolazione idrica sotterranea che si manifesta dalle quote più elevate.

► La necessità di tutelare la qualità delle acque, ha suggerito l’esigenza di studi idrogeologici ed idrogeochimici innovativi per la protezione delle risorse idriche dell’area del Monte Vulture.

► Grazie alla sua origine vulcanica l'area del Monte Vulture è ricca di pregiate acque minerali, naturalmente effervescenti oggetto di coltivazione idromineraria.


Serena PARISI

• RACCOLTA DATI: Topografia (Carte topografiche - scala

1:10.000)Geologia (Carte geologiche - scala

1:25.000)Dati idrologici , dati idrogeochimici

disponibili

ATTIVITÀ SVOLTE ATTIVITÀ SVOLTE

DELIMITAZIONE DEL BACINO IDROGEOLOGICO E

RICOSTRUZIONE DELLA SUPERFICIE PIEZOMETRICA A

PARTIRE DALLA DOCUMENTAZIONE PREGRESSA.

VERIFICA CENSIMENTO DEI POZZI E DELLE SORGENTI

RICADENTI NEL BACINO E DETERMINAZIONE DI UNA RETE

DI MONITORAGGIO.

ESECUZIONE DEL MONITORAGGIO QUALI-QUANTITATIVO

DELLE ACQUE SOTTERRANEE PER IL PERIODO DI UN ANNO

IDROLOGICO.

ANALISI ED ELABORAZIONE DEI DATI RACCOLTI MEDIANTE

METODOLOGIE STATISTICHE E GEOSTATISTICHE PER LA

REALIZZAZIONE DELLA CARTOGRAFIA TEMATICA MEDIANTE

L’USO DI STRUMENTI GIS.


Serena PARISI

METODOLOGIE E PROCEDURE ANALITICHE1. GEOREFERENZIAZIONE DELLE MAPPE TOPOGRAFICHE (SCALA

1:10.000) E GEOLOGICHE (SCALA 1:25.000), CON L’UTILIZZO DEL SISTEMA DI COORDINATE (UTM).

2. DIGITALIZZAZIONE DELLE CARTE TOPOGRAFICHE E GEOLOGICHE PER LA CREAZIONE DI MAPPE DI PUNTI E POLIGONI RELATIVI ALLE DIVERSE ENTITÀ GEOGRAFICHE.

•L’ANALISI TOPOGRAFICA HA PERMESSO L’ELABORAZIONE DI L’ANALISI TOPOGRAFICA HA PERMESSO L’ELABORAZIONE DI UN UN DIGITAL TERRAIN MODEL (DTM – PASSO 10 METRI)DIGITAL TERRAIN MODEL (DTM – PASSO 10 METRI). .

•L’ANALISI SPAZIALE DEI DATI IDROGEOCHIMICI E LE L’ANALISI SPAZIALE DEI DATI IDROGEOCHIMICI E LE RELATIVE MAPPE (GRID CELLS 50 m SIZE), SONO STATE RELATIVE MAPPE (GRID CELLS 50 m SIZE), SONO STATE GENERATE CON LO SPATIAL ANALYST (EXTENSION DI ARCGIS GENERATE CON LO SPATIAL ANALYST (EXTENSION DI ARCGIS 9.2).9.2).

Self-Regulating

Natural World

Managed

Constructed World

ABSTRACTING THE

REAL WORLD


Serena PARISI

GEODATABASE (221 emergenze idriche)

109 Sorgenti (300 – 1000 m s.l.m.)112 Pozzi (33 – 200 m di

profondità)

DENOMINAZIONE DELLE SORGENTI E DEI POZZI PER

L'IDENTIFICAZIONE

NUMERO DELLE SORGENTI E DEI POZZI, LA POSIZIONE IN TERMINI DI COORDINATE, ALTITUDINE (m

s.l.m.) E LOCALITÀ

DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate emergenze idriche: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33

POZZI E SORGENTI SONO STATI

DIGITALIZZATI E GEOREFERITI COME

PUNTI AI QUALI È STATO ASSOCIATO

UNA TABELLA ATTRIBUTI

ARCHIVIAZIONE DATI ACQUISITI


Serena PARISI

I DATI RACCOLTI VENGONO ARCHIVIATI NEL GEODATABASE

I DATI, GEOREFERITI, SONO STATI ELABORATI MEDIANTE L’USO DI STRUMENTI GIS PER LE RAPPRESENTAZIONI CARTOGRAFICHE

codice 005data camp. 01/06/08pHtemperatura

….…...…..

codice 010nomecoord x 555149coord y 4524642mslink 121mapid 37

Gaudio_11

5.615.6

….


PhD Student: Serena PARISI

METODOLOGIE E PROCEDURE ANALITICHE

−17 Sorgenti (555-1100 m s.l.m)

−31 Pozzi (352-960 m s.l.m.); profondità 22-220 m

PARAMETRI CHIMICI ED ISOTOPICI

• Elementi maggiori e minori

• Elementi in traccia• δ18O, δD

ANALISI GEOCHIMICHEPARAMETRI FISICI

• pH, Eh•Conducibilità elettrica•Temperatura •Valori di portata•Misura livelli statici dei pozzi

48 SITI DI CAMPIONAMENTO

DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33

9INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010


TEMATISMO 1: CARTA GEOLOGICA DEL MONTE VULTURE

TEMATISMO 1: CARTA GEOLOGICA DEL MONTE VULTURE

10

Da Parisi et al., 2010



TEMATISMO 2: CARTA IDROGEOLOGICA DEL MONTE VULTURE

Spilotro et al., 2005; 2006; modificata



TEMATISMO 3: SUPERFICIE PIEZOMETRICATEMATISMO 3: SUPERFICIE PIEZOMETRICA

DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate emergenze idriche: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33


Serena PARISI

ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI (Temperatura )

ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI (Temperatura )

Temperatura: (8÷22°C) Acque fredde o debolmente termali (Nathenson et al., 2003).

Si osservano lievi variazioni stagionali

Giugno 2007 Febbraio 2008 Giugno 2008

Geostatistic method of the Ordinary Kryging

DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM

ED 50, fuso 33


Serena PARISI

ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI : pH ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI : pH DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33

Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33


pH: (5.4 ÷7.5) Acque da debolmente acide a neutre.

14



Serena PARISI

ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI : C.E. ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI : C.E. DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33


Si osservano lievi variazioni stagionali


Conducibilità elettrica: (190 S cm-1 ÷19000 S cm-1)

15



Serena PARISI

DISTRIBUZIONE SPAZIALE CARATTERI COMPOSITIVI DELLE ACQUE

DISTRIBUZIONE SPAZIALE CARATTERI COMPOSITIVI DELLE ACQUE

•2° GRUPPOBICARBONATO-SOLFATO-ALCALINE: SO4>Na>Ca>K>Mg→TDS (~18.500 mgL-1)

•1° GRUPPOBICARBONATO-ALCALINO-TERROSE: Ca>Na>Mg>K→TDS (200-4.000 mgL-1)


Serena PARISI

ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI CHIMICI

ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI CHIMICI DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33



Serena PARISI





Serena PARISI

MAPPE ELEMENTI IN TRACCIAMAPPE ELEMENTI IN TRACCIA

548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000

1

2

6

7

89

1011 12

13

14

15

171819

20

21

22

2425

26 28

29

31

32

33

3435

36

3839

40

42

43

44

47

48

4526000

4527000

4528000

4529000

4530000

4531000

4532000

4533000

4534000

4535000

4536000

4537000

100

200

400

600

800

1000

1400

1800

2200

2600

3000

3400

3800

4200

4600

5000

0

46

1623

27

45

37

3 45

0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m

N

EW

S

Sr (ppb)

548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000

1

2

6

7

89

1011 12

13

14

15

171819

20

21

22

2425

26 28

29

31

32

33

3435

36

3839

40

42

43

44

47

48

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

4526000

4527000

4528000

4529000

4530000

4531000

4532000

4533000

4534000

4535000

4536000

4537000

37

3 45

46

1623

27

45

0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m

N

EW

S

Zn (ppb)

548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000

1

2

6

7

89

1011 12

13

14

15

171819

20

21

22

2425

2628

29

31

32

33

3435

36

37

3839

40

42

43

44

47

48

051015202530354045505560657075808590951001051101153

45

162327

30

45

As (ppb)

4526000

4527000

4528000

4529000

4530000

4531000

4532000

4533000

4534000

4535000

4536000

4537000

0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m

N

EW

S

548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000

1

2

6

7

89

1011 12

13

14

15

171819

20

21

22

2425

26 28

29

31

32

33

3435

36

37

3839

40

42

43

44 46

47

48

B (ppb)

1000

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

17000

19000

21000

23000

25000

27000

29000

5000

3

45

162327

30

45

4526000

4527000

4528000

4529000

4530000

4531000

4532000

4533000

4534000

4535000

4536000

4537000

0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m

N

EW

S

0 1000 2000 3000 4000 5000

N

EW

S

548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000

1

2

3

6

7

89

10

1112

13

14

15

171819

20

21

22

2425

2628

29

31

32

33

3435

36

37

3839

40

42

43

44 46

47

48

50

100

250

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000373

45

162327

30

45

Fetot(ppb)

4526000

4527000

4528000

4529000

4530000

4531000

4532000

4533000

4534000

4535000

4536000

4537000

0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m

N

EW

S

548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000

1

2

6

7

89

1011

12

13

14

15

1718 19

20

21

22

24

25

26 28

29

31

32

33

3435

36

37

3839

40

42

43

44

47

48

0

15

25

50

75

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

3 45

46

162327

45

4526000

4527000

4528000

4529000

4530000

4531000

4532000

4533000

4534000

4535000

4536000

4537000Mntot(ppb)

0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m

N

EW

S

548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000

1

2

6

7

89

1011 12

13

14

15

1718 19

20

21

22

2425

26 28

29

31

32

33

3435

36

37

3839

40

42

43

44

47

48

123456789101112131415161718192021222324

0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m

N

EW

S

4526000

4527000

4528000

4529000

4530000

4531000

4532000

4533000

4534000

4535000

4536000

45370003 45

46

162327

45

Ni (ppb) Pb(ppb)

0 1000 2000 3000 4000 5000

N

EW

S

548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000

1

2

6

7

89

1011 12

13

14

15

171819

20

21

22

24

25

2628

29

31

32

33

3435

36

37

3839

40

42

43

44

47

48

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

5.5

6.5

7.5

8.5

9.5

10.5

11.5

12.5

4526000

4527000

4528000

4529000

4530000

4531000

4532000

4533000

4534000

4535000

4536000

4537000 3 45

46

162327

45

0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m

N

EW

S

548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000

1

2

6

7

89

1011 12

13

14

15

171819

20

21

22

2425

26 28

29

31

32

33

3435

36

37

3839

40

42

43

44

47

48

50

100

150

200

400

600

1000

1400

1800

2200

2600

3000

3400

4526000

4527000

4528000

4529000

4530000

4531000

4532000

4533000

4534000

4535000

4536000

45370003 45

46

1623

27

45

Rb(ppb)

0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m

N

EW

S

As BFeto

t

Mnto

tNi Pb

Rb Sr Zn



Serena PARISI

DISTRIBUZIONE DEL DISTRIBUZIONE DEL 1818OO



SETTORE W-NWPrincipale area di

ricarica

18O


2121Serena PARISI

TRATTAZIONE STATISTICA DEI DATI IDROGEOCHIMICI

Principal Component analysis (PCA) → XLSTAT 7.5 software, running on the Windows XP platform

27 - VARIABILI IDROGEOCHIMICHE (dataset rappresentato dai valori medi)

pH, temperatura, conducibilità elettrica , Li, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, F-, Cl-, NO3

-, SO4-2, HCO3

-, SiO2, V, Al, As, B, Ba, Cu, Fetot, Mntot, Ni, Pb, Rb, Sr, Zn

PCA → Unità di misura → Range delle variabili idrogeochimiche

STANDARDIZZAZIONE DELLE VARIABILI FISICO-

CHIMICHE

Variabile standardizzata = = Z1, Z2,…Zp

p

pp

2

22

1

11

σ

μX,...,

σμX

,σ

μX

NUOVA MATRICE COVARIANZA Zi =

MATRICE DI CORRELAZIONE Xi

Dove:• X1, X2,…Xp variabili di

origine;• 1, 2,… p valori medi;• s1, s2,... sp deviazioni

standard• Z1, Z2, …ZP variabili

normalizzate

VARIABILI NORMALIZZATEMedia = 0

Deviazione standard = 1


2222Serena PARISI

Principal Components PC 1 PC 2 PC 3 PC 4 PC 5 PC 6 PC 7 PC 8 PC 9

PC 10

11,153 3,183 2,092 1,566 1,504 1,339 1,231 1,024 0,894

0,764

56,131 16,169 11,661 4,592 2,813 1,783 1,756 1,692 1,329

1,274

88,554 91,367 93,149 94,905 96,597 97,926

99,200

Principal Components PC 11 PC 12 PC 13 PC 14 PC 15 PC 16 PC 17 PC 18

PC 19

0,637 0,588 0,477 0,409 0,365 0,269 0,162 0,152

0,082

0,136 0,296 0,070 0,069 0,050 0,041 0,039 0,023

0,019

99,336 99,633 99,703 99,772 99,822 99,863 99,902 99,925

99,944

Principal Components PC 20 PC 21 PC 22 PC 23 PC 24 PC 25 PC 26 PC 27

0,038 0,033 0,023 0,008 0,006 0,001 0,001 0,0000,017 0,012 0,015 0,006 0,004 0,002 0,000 0,00099,961 99,973 99,988 99,994 99,997 99,999 99,999 100,000Cumulative variance (%)

EigenvaluesVariance (%)Cumulative variance (%)

EigenvaluesVariance (%)

EigenvaluesVariance (%)

Cumulative variance (%)

56,131 72,300 83,961

SCELTA DELLE COMPONENTI PRINCIPALI →FACTORS LOADINGS MATRIX

Legge di Kaiser → Autovalore > 1

1

2Componenti con varianza cumulativa ~ 80%-90%

00

21

1 9080

p

k

VARIANZA %

“Screen Plot” 3

VARIANZA CUMULATIVA %


2323Serena PARISI

PC1 PC2 PC3pH 0.17 -0.75 -0.07

E.C. 0.98 -0.06 0.17Temperature 0.17 0.76 0.23

Li+ 0.91 -0.15 0.15

Na+ 0.96 -0.16 0.04

K+ 0.95 -0.05 -0.12

Mg2+ 0.82 0.40 -0.21

Ca2+ 0.57 0.38 0.04

F- 0.02 -0.35 0.69

Cl- 0.93 -0.18 0.05

NO3- 0.14 -0.52 0.67

SO4-2 0.95 -0.15 -0.04

HCO3- 0.95 0.14 0.13

SiO2 -0.37 0.74 0.14V 0.15 0.31 -0.05Al -0.09 0.05 0.58As 0.09 -0.18 0.69B 0.96 -0.16 -0.02Ba 0.34 0.32 -0.00Cu 0.19 -0.06 0.63Fetot 0.65 0.21 -0.18Mntot 0.74 0.31 0.17Ni 0.08 0.08 -0.23Pb 0.13 0.03 0.68Rb 0.87 -0.04 -0.68Sr 0.79 0.42 -0.64Zn -0.31 -0.18 0.67

Eigenvalues 11.15 3.18 2.09Variance (%) 56.13 16.17 11.66

Cumulative variance (%) 56.13 18.51 30.17

Pricipal ComponentsChemical variables

COMPONENTI PRINCIPALI → PC’s loading factors

PC1 (56%)→ COMPONENTE PRINCIPALEPC1→FATTORE INTERAZIONE ACQUA-ROCCIA

PC2 (16%) → COMPONENTE SECONDARIA; sistema tampone della silice durante i processi di weathering dei silicati.

PC3 (11,66%) → COMPONENTE TERZIARIA;PC3 potrebbe essere collegato ad una maggiore aggressività delle acque (>CO2)


2424Serena PARISI

CONCLUSIONILO STUDIO MULTIDISCIPLINARE APPLICATO AL BACINO

IDROGEOLOGICO DEL MONTE VULTURE HA MESSO IN EVIDENZA:

L’approccio GIS-based, partendo dalle informazioni archiviate ed organizzate nel Geodatabase progettato, ha permesso mediante una serie di analisi spaziali (geoprocessing) la creazione di molteplici livelli informativi.

La distribuzione spaziale e le elaborazioni dei numerosi dati relativi al contesto geologico, idrogeologico ed idrogeochimico dell’importante bacino idrominerario unitamente all’analisi statistica hanno permesso di definire quanto segue:

L’associazione dei dati ha consentito l’identificazione di relazioni non immediatamente identificabili, grazie ad analisi effettuate attraverso l’overlay di più tematismi.

- I caratteri compositivi delle acque del Monte Vulture derivano principalmente dai processi di interazione acqua-roccia vulcanica.- La correlazione tra dati idrologici, distribuzione spaziale dei caratteri compositivi delle acque sotterranee e quote di ricarica calcolate attraverso il gradiente isotopico verticale ha consentito di proporre un modello idrogeologico concettuale che definisce in sintesi i patterns idrogeologici del bacino del Monte Vulture. - La trattazione statistica ha confermato quanto evinto dai metodi della geochimica classica.


2525Serena PARISI……working together!working together!

GRAZIEPER L’ATTENZIONE

A GIS-based approach and statistical analysis to identify groundwater hydrogeochemical processes of...

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