Idrologia e problematiche ambientali. Idrologia e tematiche ambientali Alluvioni Instabilità dei...
-
Upload
aldo-biagi -
Category
Documents
-
view
228 -
download
1
Transcript of Idrologia e problematiche ambientali. Idrologia e tematiche ambientali Alluvioni Instabilità dei...
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