Idrogeofisica tecniche non invasive a supporto della … · 2020. 10. 4. · Idro-geofisica 1...

1Idro-geofisica

Giorgio Cassiani e Rita Deiana

Idrogeofisica

tecniche non invasive a supporto della

caratterizzazione idrologica

ed idrogeologica del sottosuolo


Dipartimento di Geoscienze

Università di Padova

[email protected]

[email protected]

2Idro-geofisica


Idrologia e tematiche ambientaliAlluvioni

Instabilità dei versanti montani

Contaminazione dei suoli e delle acque

Impatto sul clima

Idrologia(fluido-dinamica ambientale)

Geofisica(idro-geofisica)

evaporazioneprecipitazione

condensazionefiu me

acqua sotterranea salina

flusso nel saturo

infiltrazione

sorgente

evaporazione

traspirazione

basamentoimpermeabile

aria

fil m di acqua attornoai grani solidi

acqua

grani solidi

ROCCIA NON SATURAROCCIA SATURA

L’acqua nel sottosuolo

trasporta energia

modifica lo stato di stress

trasporta contaminanti

3Idro-geofisica


tavola d’acqua

superficie piezometrica

substratoimpermeabile acquifero

strato di confinamento

Aspetti del problema ambientale:

� struttura

4Idro-geofisica


tavola d’acqua

superficie piezometrica

sorgente

acquifero


substratoimpermeabile


� struttura

� dinamica dei fluidi

5Idro-geofisica



� struttura

� dinamica dei fluidi

� presenza di contaminanti

tavola d’acqua

superficie piezometricacontaminanti

sorgente

acquifero


substratoimpermeabile

6Idro-geofisica


che può fare la Geofisica

in tutto questo?

7Idro-geofisica


Sommario� Gli strumenti dell’idrogeofisica

� Esempi:

� Caratterizzazione idrogeofisica della zona non satura

� Monitoraggio idrogeofisico di pendii montani

� Caratterizzazione idrogeofisica della zona satura

� Conclusioni e prospettive

8Idro-geofisica



� Esempi:





9Idro-geofisica


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

10Idro-geofisica


� 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

11Idro-geofisica


Due approcci:

1) 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

12Idro-geofisica


Misura

geofisica

grandezza idrologicamisurata

(saturazione, concentrazione)

Modello idrologico

parametridel modello

(conduttività idraulica,dispersività, etc.)

grandezza idrologicasimulata

(saturazione, concentrazione)

calibrazione

IDROGEOFISICA

MODELLISTICA

Due approcci:

2) calibrazione di modelli idrologici sulla base di misure geofisiche,

attraverso:

- contenuto idrico nel non saturo

- resistività / salinità nel saturo

13Idro-geofisica


Misura

geofisica

quantitàidrologicamisurata (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

14Idro-geofisica


Viene usata una sorgente

di onde elettromagnetiche

a frequenze di 10-1000 MHz.

In questo range di frequenza,

la velocità di propagazione v

dipende solo dalla costante

dielettrica del mezzo κ.

Se c e’ la velocita` della luce nel vuoto:

L’ampiezza del segnale ricevuto dipende dalla conduttività elettrica del

mezzo. La penetrazione supera di rado i 10 m.

K

cv =

Ground-Penetrating Radar (GPR)

15Idro-geofisica


Cross-Hole GPR

� gli strati conduttivi del suolosuperficiale sono by-passati

� la velocità si determina con facilità

AntennaRicevente

AntennaTrasmittente

Multiple Offset Gather (MOG)

Zero Offset Profile (ZOP)

AntennaTrasmittente

AntennaRicevente

Vertical Radar Profiles (VRP)

Tx

AntennaTrasmittente

AntennaRicevente

16Idro-geofisica


Relazioni tra contenuto idrico e costante dielettrica

Complex Refractive Index Model (CRIM):

aws κθϕκθκϕκ )()1( −++−=

Topp et al., [1980]:

( ) 0001.0043.05.5292530 32 ×+−+−= κκκθ

CRIMκs = 5, φ = 40%

Topp et al

0 4 8 12 16 20

costante dielettrica κ [-]

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

cont

enu

toid

rico

[-]

costantedielettrica

(κ)

contenutoidrico(θ )

velocitàGPR(v )

2

=v

cκTopp et al.

CRIM....

17Idro-geofisica


Distance (m)

Electrode

Survey

level

1

3

5

7

C+P+P-

C- P+ P- C-C+

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Lo sviluppo di strumenti multi-elettrodoha reso possibile la ricostruzione di immagini 2D e 3D di resistività del sottosuolo.

Diverse combinazioni di array sonopossibili nella stessa sequenza, variandola profondità di investigazione.

Tomografia di resistività elettrica

18Idro-geofisica


Cross Borehole Electrical Resistivity

Tomography (ERT)

Alle limitazioni della geoelettricada superficie si può ovviare con misure in foro, con cavi ed elettrodi assicurati a casingnon metallico, o immersi sotto la tavola d’acqua.

Si misura ∆V in un gran numero di configurazioni possibili.

Si mantiene una risoluzione adeguata anche in profondità

Si evita l’effetto di strati conduttivi nel suolo superficiale

inietta corrente

in una coppia di elettrodi

misuradifferenza

di potenzialetra due elettrodi

elettrodo

Geoelettrica da foro

19Idro-geofisica


La classica relazione empirica è la legge di Archie [1942]:

σb = conduttività bulkσw = conduttività dell’acqua che

satura i pori

φ = porositàSw = saturazione in acqua

σs = conduttività superficiale dei grani

n ed m sono parametri della formazione

snw

mwb S σφσσ +=

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 100 200 300 400 500

ρ (Ωm)

Sat

urat

ion

ρsat = 66 Ωm, n = 1.13

Relazione della resistività con ilcontenuto idrico e la salinità dell’acqua

20Idro-geofisica



� Esempi:





21Idro-geofisica


Gorgonzola

7.95

m

6.65 m

7.20 mC

D

A

B

TRINCEA

B

C

A

D

Il sito sperimentale di Gorgonzola (MI) (Deiana et al., 2008, Vadose Zone Journal;

Deiana et al., 2007, Near Surface Geophysics)

22Idro-geofisica


Ø PVC=90 mm

Ø foro trivella =152 mm

2 m

20 m

bentonite

drenodi ghiaia

riempimentocon detrito diperforazione epolvere di cemento

alloggiamentoper i connettori

sabbia/ghiaia

terriccio

15 m

litologia

24 elettrodi spaziati 0.8 m

Il sito sperimentale di Gorgonzola (MI)

Tavola d’acqua(oscillazione annuale)

23Idro-geofisica


0.10 0.20 0.30moisture content (-)


fallingwater table

boreholes A – B boreholes B – C boreholes A - C

θθθθr=0.17

θθθθr=0.13

θθθθr=0.20

θθθθr=0.10

terreno di riporto

sabbia grossolana

con ciottoli

ghiaia

deb. cementata

in matrice sabbiosa

terreno agricolo

ghiaia

deb. cementata

in matrice sabbiosa

ghiaia

deb. cementatain matrice sabbiosa

ghiaia cementata

in matrice sabbiosa

sabbia limosa

ghiaia deb. cem.

in matrice

sabbiosa fine

18/01/200508/02/200516/02/200523/02/200524/03/200507/04/200521/04/2005


0

4

8

12

16

20

dept

h (m

b.g

.l.)

C

D

A

Bvalori di contenuto idrico residuo da laboratorio

Misure di background: contenuto idrico da GPR ZOP

24Idro-geofisica


Sito di Gorgonzola: esperimenti di iniezione d’acqua

primo esperimento (Luglio 2005): 3 m3 iniettati in 2 ore

secondo esperimento (Gennaio 2006):22 m3 iniettati in 10 ore

terzo esperimento (Giugno 2007):11 m3 iniettati in 6 ore

25Idro-geofisica


0 2 4 6

m

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

m

0 2 4 6m

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

m

MOGZOP ERT

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

∆θ

0.00 0.02 0.04 0.06

de

pth

(m b

.g.l.

)

-20.00

-16.00

-12.00

-8.00

-4.00

0.00

∆θ

0 2 4 6

m

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

m

0 2 4 6

m

-2 0

-1 8

-1 6

-1 4

-1 2

-1 0

-8

-6

-4

-2

0

m

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

∆θ

dept

h(m

b.g

.l.)

∆θ

0.00 0.02 0.04 0.06

-20.00

-16.00

-12.00

-8.00

-4.00

0.00

3 ore dall’iniezione

45 ore dall’iniezione

Secondo esperimento:

variazioni del contenuto d’acqua rispetto al background

26Idro-geofisica


ZOPGPR

ERT

3 hr 11 hr 22 hr 45 hr 117 hr 141 hr

0 2 4 6

m

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

m

0 2 4 6

m

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

m

0 2 4 6

m

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

m

0 2 4 6m

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

m

0 2 4 6

m

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

m

0 2 4 6m

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

m

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

∆θ

0.00 0.02 0.040.06

-20.00

-16.00

-12.00

-8.00

-4.00

0.00

0.000.02 0.040.06

-20.00

-16.00

-12.00

-8.00

-4.00

0.00

0.00 0.020.04 0.06

-20.00

-16.00

-12.00

-8.00

-4.00

0.00

0.000.02 0.04 0.06

-20.00

-16.00

-12.00

-8.00

-4.00

0.00

0.00 0.02 0.040.06

dept

h(m

b.g

.l.)

-20.00

-16.00

-12.00

-8.00

-4.00

0.00

0.000.02 0.040.06

∆θ (-)

-20.00

-16.00

-12.00

-8.00

-4.00

0.00

∆θ (-) ∆θ (-) ∆θ (-) ∆θ (-) ∆θ (-)

fine dell’iniezione

dept

h(m

b.g

.l.)

27Idro-geofisica


Fase di iniezione

0.00 0.02 0.04 0.06

-20

-16

-12

-8

-4

0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06

∆θ ∆θ∆θ∆θ ∆θ∆θ∆θ ∆θ∆θ

pro

fon

dità

(m)

1 hr 2 hr 3 hr 5.5 hr 7 hr 8 hr 9 hr 10 hr 11 hr

zop GPR

28Idro-geofisica


0.00 0.02 0.04 0.06

-20

-16

-12

-8

-4

0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06

Prima fase di drenaggio

14 hr 17 hr 20 hr 22 hr 26 hr 29 hr 31 hr

∆θ∆θ ∆θ∆θ∆θ ∆θ∆θ

pro

fon

dità

(m)

zop GPR

29Idro-geofisica


0.00 0.02 0.04 0.06

-20

-16

-12

-8

-4

0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06

Seconda fase di drenaggio

45 hr 117 hr 141 hr 165 hr

∆θ ∆θ∆θ∆θ

pro

fon

dità

(m)

zop GPR

30Idro-geofisica


0

-14

Ks da misure di laboratorio

omogeneo Ks = 10 m/d

omogeneo Ks = 5 m/d

20 40 60 80

tempo dall’inizio dell’iniezione (ore)

-12

-10

-8

-6

-4

-2

prof

ondi

tàde

l cen

tro

di m

assa

(m

)

Ks da misure di laboratorio,modificata nei primi 6 m

ZOP

MOG

ERT

Calibrazione del modello sul centro di massamodelli isotropi

31Idro-geofisica


BILANCIO DI MASSA

MODELLO DATI DI CAMPO

massa d’acquainiettata: nota

massa d’acquain un certo

volume di controllo

zone di Fresnel

L

rmaxrmax

una questione da risolvere

massa d’acquain un certo

volume di controllo

32Idro-geofisica



Fase di iniezione

misure con ZOP GPR


pro

fon

dità

(m)

0.00 0.02 0.04 0.06

-20

-16

-12

-8

-4

0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.060.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06

risultati del modello isotropo con Ks = 5 m/dFresnel zone

33Idro-geofisica



14 hr 17 hr 20 hr 22 hr 26 hr 29 hr 31 hr 45 hr 117 hr

pro

fon

dità

(m)

0.00 0.02 0.04 0.06

-20

-16

-12

-8

-4

0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06

misure con ZOP GPR

risultati del modello isotropo con Ks = 5 m/d

Fase di drenaggio

PROBLEMA CON IL BILANCIO DI MASSA

Fresnel zone

34Idro-geofisica


Calibrazione del modello sul centro di massamodelli anisotropi

KH = 36 m/d, α = KH/KV = 2

KH = 36 m/d, α = KH/KV = 10

KH = 36 m/d, α = KH/KV = 5

αααα = KH/KV = 3 KH = 288 m/dKH = 36 m/dKH = 72 m/dKH = 144 m/d

ZOP

MOGERT

20 40 60 80

tempo dall’inizio dell’iniezione (ore)

-12

-10

-8

-6

-4

-2

prof

ondi

tàde

l cen

tro

di m

assa

(m

)

0

-14

35Idro-geofisica



Fase di iniezione

misure con ZOP GPR


pro

fon

dità

(m)

0.00 0.02 0.04 0.06

-20

-16

-12

-8

-4

0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.060.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06


risultati del modello anisotropo con KsH = 288 m/d, α = KsH/KsV = 3Fresnel zone

36Idro-geofisica


Fase di drenaggio


14 hr 17 hr 20 hr 22 hr 26 hr 29 hr 31 hr 45 hr 117 hr

pro

fon

dità

(m)

0.00 0.02 0.04 0.06

-20

-16

-12

-8

-4

0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06

misure con ZOP GPR


risultati del modello anisotropo con KsH = 288 m/d, α = KsH/KsV = 3

L’ANISOTROPIA RISOLVEIL PROBLEMA DEL BILANCIO DI MASSA

Fresnel zone

37Idro-geofisica



� Esempi:





38Idro-geofisica


HILLSLOPE

RIPARIAN ZONE

Event 1 Event 2

McGlynn and McDonnell, 2003

Acqua “vecchia” e acqua “nuova”

39Idro-geofisica


Sito sperimentale di Montemezzo (CO)Obiettivo: caratterizzare la struttura e l’idrologia dei versantidi un piccolo bacino montano affetto da frane per scivolamento

e soprattutto rischio alluvione

Sito sperimentale di Montemezzo

bacino del torrente S. Vincenzo (Cassiani et al., 2009, Near Surface GeophysicsStrobbia and Cassiani, 2007, Geophysics)

40Idro-geofisica


Descrizione del sito

quota: 1150 m s.l.m.pendenza: 30-40 gradicopertura di suolo: spessore di 1-2 m, morena

sabbioso-ghiaiosa; conduttività idraulica mediobassa (10-6 m/s)

basamento: paragneiss con foliazione sub-verticale, friable.

vegetazione: erba, con bosco circostante di faggi e betulle

Grave rischio di inondazione

41Idro-geofisica


precipitazione

Acqua “vecchia” o acqua “nuova” ?

42Idro-geofisica


precipitazione

ruscellamento superficiale


43Idro-geofisica



precipitazione

flusso sub-superficiale nel suolo

44Idro-geofisica


Flusso sub-superficiale nel basamento fratturato (acqua vecchia)


precipitazione

45Idro-geofisica


precipitationQUAL E’ IL MECCANISMO

PREVALENTE ?


ruscellamento superficiale

flusso sub-superficiale nel suolo

Flusso sub-superficiale nel basamento fratturato (acqua vecchia)

46Idro-geofisica


Stazione di monitoraggio idrologico

A partire dal 2003 è stata condotta una campagna di monitoraggio di lungo termine, con misure di:

• precipitazione,

• ruscellamento superficiale,

• temperatura del suolo,

• contenuto idrico del suolo.

steccato

discesa

47Idro-geofisica


Acquisizioni GPRWide-Angle Reflection and Refraction (WARR)

onda in aria

onda nel suolo

riflessioni

48Idro-geofisica


Acquisizioni GPRI dati WARR acquisiti al sito di Montemezzo

sono diversi dai normali dati WARR!

WARR with 100 MHz antennasMontemezzo - line 1 – April 22, 2004 – with AGC

onda in aria

onda nel suolo

riflessioni

WARR with 200 MHz antennasGrugliasco (Turin) – March 19, 2004

49Idro-geofisica


after Arcone, Peapples and Liu, 2003, GEOPHYSICS, VOL. 68, NO. 6

WARR with 100 MHz antennasMontemezzo - line 1 – April 22, 2004 – with AGC

onda in aria

riflessa-rifratta

energia riflessadalle fratture sub-verticali

pacchettodi onde dispersivesuperficiali

Acquisizioni GPRI dati WARR acquisiti al sito di Montemezzo

sono simili a dati sintetici da letteratura

50Idro-geofisica


Onde guidate GPR

Uno strato a bassa velocità circondato da due strati ad alta velocità si

comporta come una guida d’onda.

Questo fenomeno induce una velocità diversa per ogni frequenza: il mezzo è

dispersivo.

x

z

BASAMENTO: v3

θθθθ1

Hx

Hz

Ey

h

Tx

RxSUOLO: v1

ARIA: c

θθθθ c

onda rif

rattacriti

camente

onda in

aria

modi dis

persivi

(Strobbia and Cassiani, Geophysics, 2007)

51Idro-geofisica


Onde guidate GPRinversione ed interpretazione

(1) spessore della guida d’onda(2) velocità del suolo(3) velocità del basamento

step 1

step 3

step

2

dati di campagna spettro f-k

curva di dispersione

52Idro-geofisica


0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

ago-03 nov-03 feb-04 giu-04 set-04 dic-04

mo

istu

re c

on

ten

t [-]

s oil

bedrock

Risultati:contenuto idricosulla base di Topp et al. [1980]

0.180.360.650.0980.065Dec 04

0.160.340.680.1020.068Oct 04

0.140.270.950.110.078Apr 04

0.150.291.010.1060.075Oct 03

θθθθbedrock[-]

θθθθsoil[-]

h(m)

vbedrock(m/ns)

vsoil(m/ns)

Aug-03 Nov-03 Feb-04 Jun-04 Sep-04 Dec-04

Onde guidate GPRinversione ed interpretazione delle misure in time-lapse

53Idro-geofisica


discesa

Linea ERT 2D

TDR2

TDR3

TDR4

TDR6

TDR5

TDR1

D

E

C

F AB

TS60 TS30

TS60

2 m

1 m

RUNOFF BOX

Test di irrigazione

Nel 2006 e nel 2007 sono stati condotti

due test di irrigazione su una runoff box,

equipaggiata con TDR, tensiometri e fori

attrezzati con elettrodi per ERT.

54Idro-geofisica


B

C D

E

F

A

Sei fori profondi 2 m.

12 elettrodi in ciascun foro.

Istallazione dei fori ERT

RUNOFF BOX

30-40°

55Idro-geofisica


4D (time-lapse) ERT

� 72 elettrodi (12 in ognuno di 4 fori

+ 24 elettrodi da superficie)

� schema di acquisizione dipolo-dipolo

skip 0, con reciproci

� tempo di acquisizione di circa 40

min per ogni time step con un IRIS

Syscal Pro.

� per l’inversione è stato usato il

codice R3 (A.M.Binley – Lancaster

University)

interfacciasuolo-basamento

spessore di suolo~1 m

B

C D

E

F

A

B

D

C

ERUNOFF BOX

56Idro-geofisica


� Il 29 ottobre 2007, sono stati applicati 9330 litri di pioggia artificiale su un’area di 2 m x 2 m per 18 ore(equivalenti a una pioggia di 2500 mm).

� L’infiltrazione è stata stimata sottraendo il ruscellamentomisurato.

� Date le condizioni meteo ed il ridotto periodo di irrigazione l’evapo-transpirazione è stata trascurata.

2 m

2 m

C

D

E

B

RUNOFF BOX

Test di irrigazione

57Idro-geofisica


Misure di ruscellamento

Solamente 640 litri dei 9330

totali (i.e. meno del 7%) sono

andati in ruscellamento

superficiale.

Il ruscellamento superficiale è un

percorso trascurabile per il flusso

d’acqua lungo il pendio.

RUNOFF BOX

58Idro-geofisica


-70

-66

-62

-58

-54

-50

-46

-42

-38

-34

-30

-26

-22

-18

-14

-10

-6

-2

2

dopo 1.2 h

dopo 3 h

dopo 5 h

dopo 10 h

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

ERT 2D – inversionedelle differenze rispetto

al background

Distanza lungo il pendio [ m ]

% di variazione rispetto

alla resistivitàdi background


Linea ERT 2D

59Idro-geofisica


-70

-66

-62

-58

-54

-50

-46

-42

-38

-34

-30

-26

-22

-18

-14

-10

-6

-2

2

dopo 18 h

dopo 19 h

dopo 21 h

dopo 26 h

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

FINE IRRIGAZIONE

Linea ERT 2D


al background





60Idro-geofisica


-70

-66

-62

-58

-54

-50

-46

-42

-38

-34

-30

-26

-22

-18

-14

-10

-6

-2

2

dopo 32 h

dopo 42 h

dopo 44 h

dopo 49 h

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

-3-2

-10

Linea ERT 2D


al background


Il flusso subsuperficiale nel suolo

è un percorso trascurabile per

l’acqua lungo il pendio.




61Idro-geofisica


dopo 0.8 h dopo 2.4 h

blu = 30% del background, azzurro = 70% del background

3D ERTinversione di resistività rispetto al background

62Idro-geofisica



FIN

E I

RRIGAZIO

NE



63Idro-geofisica



FIN

E I

RRIGAZIO

NE



64Idro-geofisica





65Idro-geofisica


dopo 47.2 h dopo 214 h



66Idro-geofisica


original picture spectral analysis B/W thresholding

Test con traccianti colorati

LE VIE PREFERENZIALI HANNO UN RUOLO IMPORTANTE

NEI PROCESSI DI INFILTRAZIONE IN QUESTO SUOLO

67Idro-geofisica


IL FLUSSO SOTTERRANEOPROFONDO E’ IL PERCORSO

PRINCIPALE


68Idro-geofisica



� Esempi:





69Idro-geofisica


heterogeneoussubsurface

contaminant plume

electrical image

courtesy: A. Kemna – University of Bonn

70Idro-geofisica

Giorgio Cassiani e Rita DeianaDeiana et al.

GNGTS-Trieste 6-8 ottobre 2008

Il sito sperimentale nell’oasi di Novoledo-Villaverla (Vi)

•l'oasi si estende nel territorio del Comune di Villaverla, nel vicentino, su 258.214 metri quadri

CENTRO IDRICO NOVOLEDO èpartecipata, in pari quota, da AIM Vicenza S.p.A. e da APS di Padova ed ha sede a Villaverla, all'interno dell'area naturalistica da cui prende origine l'acquedotto di Padova

�Il s

ito

di Nov

oled

o-Villave

rla

(Vi)

71Idro-geofisica


Il sito sperimentale nell’oasi di Novoledo-Villaverla (Vi)

Le misure geofisiche

pozzetto di iniezione

campo prove :18.8 m x 11.75 m

Lungo l’asse X:7 linee da 48 elettrodi (spaziatura 40 cm)

Lungo l’asse Y:7 linee da 48 elettrodi (spaziatura 25 cm)

X=18.8 m

GP6

Y=11.75 m

Misure geofisiche

GP6

72Idro-geofisica


Y1 Y5Y2 Y3 Y4 Y6 Y7X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

GP6

GP7

GP5

GP8

•Iniezione nel pozzetto GP6 tra 1m e 3m di profondità

•Quantità soluzione iniettata: 5m3

•Concentrazione soluzione iniettata (NaCl): 6mg/l

•Conducibilità iniziale acqua nel pozzetto GP5: 580 µS/cm

Profondità falda: 1m dal piano campagna

73Idro-geofisica


Y1 Y5Y2 Y3 Y4 Y6 Y7

fosso

foss

o

X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

3.2 m3.2 m3.2 m3.2 m3.2 m2.8 m

2 m

2 m

2 m

2 m

2 m

1.7

5 m

1 48

elettrodi

1

48

8 16 24 32 40

GP6

GP7

GP5

GP8

campionatorepozzo iniezione d

irezione di

flusso attesa

74Idro-geofisica


Tomografie elettriche 2D – Misure di backgroundBack

grou

nd 7

lug

lio 2

008

X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

GP6

GP7

GP5

GP8

2 4 68 10 12

14 16 18

-3

-2

-1

0

x7

x6

x5

x4

x3

x2

x1

101520253035404550556065707580859095100105110

ΩΩΩΩm

75Idro-geofisica


Tomografie elettriche 2D – Misure di backgroundBack

grou

nd 7

lug

lio 2

008

Y1 Y5Y2 Y3 Y4 Y6 Y7

GP6

GP7

GP5

GP8

0 1 2 34 5 6

7 8 9 10 11

-3

-2

-1

0

0 1 2 34 5 6

7 8 910 11

-3

-2

-1

0

y1

y2

y3

y4

y5

y6

y7

101520253035404550556065707580859095100105110

Wm

76Idro-geofisica


BLU SCURO = 85% background, CELESTE = 90% background

3D ERT – Inversione dei rapporti rispetto al background

y

GP6

Y1 Y5Y2 Y3 Y4 Y6 Y7X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

GP6

GP7

GP5

GP8

FIN

E I

NIEZIO

NE 1

4 luglio 2

008

Time 1: 15 luglio 2008Time 2: 17 luglio 2008Time 3: 29 luglio 2008Time 4: 1 agosto 2008Time 5: 5 agosto 2008Time 6: 7 agosto 2008Time 7: 1 settembre 2008

x

77Idro-geofisica


Fattore di formazione con σw media 580 µS/cm

2 4 6 8 10 12 14 16 18

-4

-3

-2

2 4 6 8 10 12 14 16 18

-4

-3

-2

2 4 6 8 10 12 14 16 18

-4

-3

-2

2 4 6 8 10 12 14 16 18

-4

-3

-2

2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

2 4 6 8 10 12 14 16 18

-4

-3

-2

2 4 6 8 10 12 14 16 18

-4

-3

-2x7

x6

x5

x1

x4

x3

x2

distanza orizzontale (m)

Fattoredi

Formazione

X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

GP6

GP7

GP5

GP8

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

argille

lentiargillose

78Idro-geofisica


x7

x6

x5

x1

x4

x3

x20 2 4 6 8 10 12 14 16 18

-4

-3

-2

-1

0

50525456586062646668707274767880828486889092949698100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0


rapporto di resistivitàrispetto al background

(%)

X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

GP6

GP7

GP5

GP8

Time 1: 15 luglio 2008

Background 7 luglio 2008

Fine iniezione 14 luglio 2008

79Idro-geofisica


0 2 4 6 8 1 0 12 14 1 6 1 8-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

x7

x6

x5

x1

x4

x3

x2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0


0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-4

-3

-2

-1

0

50525456586062646668707274767880828486889092949698100

rapporto di resistivitàrispetto al background

(%)

X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

GP6

GP7

GP5

GP8

Background 7 luglio 2008

Fine iniezione 14 luglio 2008

Time 7: 1 settembre 2008

80Idro-geofisica


Prospettive: misure ERT in time-lapse per la stima di K

stima della varianzae della correlazione spaziale del campo di conducibilitàidraulica K a partire dai coefficienti di macro-dispersione

( )tDx

( )tDy yx

K

λλσ 2ln

3stima dei momenti spaziali

in funzione del tempo( )ty2σ( )tx2σ

1

( ) ( )dt

td

vtD x

xx

2

2

1 σ=

( ) ( )dt

td

vtD y

xy

2

2

1 σ=

calcolo dei coefficienti di macro-dispersione a partire dalla variazione nel tempo dei momenti spaziali

2

81Idro-geofisica



� Esempi:





82Idro-geofisica


� La dinamica idrologica può essere studiata efficacemente con

metodi non invasivi.

� L’informazione ottenuta è massima se ottenuta da misure in

time-lapse ed in presenza di forti stress idraulici.

� Le leggi costitutive che legano idrologia e geofisica sono

essenziali.

� Le caratteristiche dell’acquisizione e dell’inversione dei

metodi idro-geofisici adottati hanno un impatto critico (p.es.,

effetto scala).

� L’importanza delle informazioni ausiliarie su litologia e

geologia non va sottovalutata.

Conclusioni

83Idro-geofisica



� Esempi:





� Stima della conduttività idraulica e della presenza di contaminanti

84Idro-geofisica


Polarizzazione indotta (IP) principi di misura

0 0.5 1 1.5 2

Tempo (s)

+I

-I

0

Tempo (s)0 0.5 1 1.5 2

0

Voltaggio

+V

-V

Corrente

Vsp

Vp +Vsp

Nella misure di resistività in corrente continua, la differenza di potenziale dovrebbe scendere a zero al cessare dell’inizione di corrente.

85Idro-geofisica


In pratica, c’è un processo di accumulo e rilascio di cariche nel sistema.

Questo forma la base delle misure di polarizzazioneindotta nel dominio del tempo.

0 0.5 1 1.5 2

Time (s)

+V

-V

0

Vo

ltage

t2t1

Vs Vp

Tempo (s)

Voltaggio

Polarizzazione indotta (IP) principi di misura

86Idro-geofisica


+

+

+

++

++

+-

-

-

-

-

-

-

-

++

+

++

+

--

- --

----

-

-------

+++

+

+++++++

- +

--

-

-

-------

++

+

+

+++++++

-+

---

-

-------

+++

+

+++++++

- +

--

-

-

-------

++

+

+

+++++++

-+

Assenzadi campo esterno

Presenzadi campo esterno

Polarizzazione indotta (IP) meccanismi fisici

87Idro-geofisica


La IP può anche essere misurata nel dominio della frequenza, osservando alla variazione di ampiezza ed al ritardo di fase tracorrente iniettata e potenziale che ne deriva. Questa è dettaSpectral Induced Polarisation (SIP).

Voltaggio

Corrente

Ritardo di fase φ

Ip

Vp

Tempo

Tempo

88Idro-geofisica


Voltaggio

Corrente

Ritardo di fase φ

Ip

Vp

Tempo

Tempo

Spectral Induced Polarisation (SIP)

Si misura una resistività complessacon ampiezza |ρ| = Vp/Ip e fase φ

89Idro-geofisica


SandstoneSample

P+

P-

C+

C-

End chamber(fluid or gel filled)

Disk electrode

20 mm

60 mm

Misure SIP su arenarie semi-consolidate(Binley et al., 2005, Water Resources Research)

90Idro-geofisica


0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

0

10

20

30

-5

-10

-15

-20

-25

φ(mrad)

ρ(Ωm)

Frequency (Hz)

VEC18-2Depth: 19.06 m

Cole-Cole fit ρ0 = 33.76 Ωmm = 0.120τ = 0.180 sc = 0.342

ρρρρ

φφφφ

(Binley et al., WRR, 2005)

Misure SIP su arenariesemi-consolidate

91Idro-geofisica


0.1 1

10

20

30

40

50

60

Graph 2

Eggborough core vertical

Eggborough core horizontal

Eggborough blocks vertical

Eggborough blocks horizontal

Hatfield blocks vertical

Hatfield blocks horizontal

Time constant τ (s)

Pore diameterD0 (µm)

D0 = 45.6 τ 0.58r2 = 0.61

Confronto tra spettri SIP e distribuzione delle dimensioni dei pori

92Idro-geofisica


Graph 2

Eggborough core vertical

Eggborough core horizontal

Eggborough blocks vertical

Eggborough blocks horizontal

Hatfield blocks vertical

Hatfield blocks horizontal

Time constant τ (s)

HydraulicconductivityKv (m/d)

0.1 1

0.01

0.1

1

10

Kv = 13.0 τ 3.0r2 = 0.78

Confronto tra spettri SIP e conduttività idraulica

93Idro-geofisica


Tomografia SIP cross-hole imaging al Strasbourg-Entzheim site(Kemna, 2000; Kemna et al., Geophysics, 2004)

Images at frequency = 0.125 Hzidentificazione della presenza di idrocarburi

da misure SIP (e non dai risultati ERT)

94Idro-geofisica


Idro-geofisica in campo…

95Idro-geofisica


Matteo RossiMaria Teresa PerriGiulio Vignoli

Vittorio BrunoAlessandro BrovelliDip di Geoscienze, Università di Padova

Martina MonegoGiulia Passadore

Dip IMAGE, Università di Padova

Mario PuttiDip DMMMSA, Università di Padova

Andrew M. Binley, Lancaster University, UKAndreas Kemna, University of Bonn, GermanyLee Slater, Rutgers University, USAAlberto Godio, Politecnico di Torino, ItalyAlberto Bellin, Università di Trento, ItalyClaudio Strobbia, Western-Geco, LondonAlberto Villa, Nicoletta Fusi, Paolo Frattini, Elisa Dalla, Università di Milano BicoccaMichela Giustiniani, OGS Trieste, Italy

Ringraziamenti

Idrogeofisica tecniche non invasive a supporto della … · 2020. 10. 4. · Idro-geofisica 1...

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