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Scienze e Tecnologie della Terra e dell’Ambiente

XXIX Ciclo

MODELLAZIONE GEOLOGICA 3D ED IDROGEOLOGICA FINALIZZATA ALLA

SPERIMENTAZIONE DI TECNICHE DI MANAGED AQUIFER RECHARGE (MAR) IN AMBIENTI AQUIFER RECHARGE (MAR) IN AMBIENTI

ARIDI E SEMI-ARIDI

Dottorando Arras Claudio Tutor Prof. Giorgio Ghiglieri

Matricola 62846 Dott.ssa Cristina Buttau

Dott. Antonio Funedda

Report delle attività A.A. 2014 / 2015

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XXIX Ciclo

� INTRODUZIONE

� OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

� AREA DI STUDIO

� ATTIVITA’ II ANNO

� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE� MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

� CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

� VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

� PROGRAMMAZIONE FUTURA

� ATTIVITA’ DI FORMAZIONE

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XXIX Ciclo

Obiettivi generali:

contribuire alla disseminazione di politiche

e pratiche di gestione integrata e

sostenibile delle risorse idriche al fine di

migliorare gli impatti derivanti dai processi

di desertificazione e dai cambiamenti

climatici

• La promozione di pratiche agricole cheBiskra/Batna

regionMedenine/Oum

Zessar region

• La promozione di pratiche agricole che

prevedano un utilizzo più efficiente

dell’acqua e l’utilizzo di colture tolleranti

agli stress climatici;

• Il miglioramento della qualità dell’acqua

riducendo l’inquinamento legato a pratiche

agricole non sostenibili;

• Implementare i sistemi di raccolta delle

acque tradizionali (i.e. Jessour e Tabias) con

la realizzazione di sistemi di Managed

Aquifer Recharge (MAR).

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XXIX Ciclo

MAR MANAGED AQUIFER RECHARGE

Procedura per l'immissione controllata delle acque superficiali in acquiferi

Metodi per DISPERSIONE: acquiferi freatici o poco profondi

INTRODUZIONE

Varie tecniche per la ricarica controllata degli acquiferi (Prog. Wadis-Mar).

Metodi per INIEZIONE : acquiferi profondi o in roccia

Per la progettazione sono necessarie le seguenti valutazioni:

condizioni geologico-strutturali;

condizioni idrogeologiche;

condizioni idrologiche;

condizioni economiche.

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XXIX Ciclo

� INTRODUZIONE

� OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

� AREA DI STUDIO

� ATTIVITA’ II ANNO

� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE� MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

� CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

� VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

� PROGRAMMAZIONE FUTURA

� ATTIVITA’ DI FORMAZIONE

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XXIX Ciclo

Sviluppo e test di una metodica finalizzata alla definizione di linee guida per la progettazione e la

realizzazione di sistemi di MANAGED AQUIFER RECHARGE innovativi, applicabili in contesti aridi

e/o semi-aridi.

OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

Identificazione problema nella gestione della risorsa idrica

I sistemi MAR possono essere una soluzione?I sistemi MAR possono essere una soluzione?

Studio delle componenti del Sistema delle Risorse Idriche

Idrologica Idrogeologica Idrogeochimica

Scegliere l’ubicazione e definire la migliore soluzione tecnica

Progettare e realizzare il sistema MAR

Valutarne l’efficienza

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XXIX Ciclo

� INTRODUZIONE

� OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

� AREA DI STUDIO

� ATTIVITA’ II ANNO

� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE� MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

� CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

� VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

� PROGRAMMAZIONE FUTURA

� ATTIVITA’ DI FORMAZIONE

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XXIX Ciclo

AREA DI STUDIO –REGIONE DI BATNA E BISKRA (ALGERIA)

Schema strutturale dell’Algeria settentrionale( Bracene et al., 2002)

Zona di transizione tra il dominio alpino della catena dell’Atlante e la Piattaforma Sahariana –South Atlasic Front

Clima: Arido e semi-arido Precipitazioni medie: 150 mm/anno

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Clima: Arido e semi-arido Precipitazioni medie: 150 – 240 mm/anno

AREA DI STUDIO –REGIONE DI MEDENINE/OUM ZESSAR (TUNISIA)

Structural sketch of Tunisia (Bouaziz et al, 2002)

Le arenarie del Triass inferiore, sub-affioranti nella Jeffara interna, ospitano un acquifero superficiale sovrasfruttato per

l’approviggionamento idrico dell’area.

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XXIX Ciclo

� INTRODUZIONE

� OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

� AREA DI STUDIO

� ATTIVITA’ II ANNO

� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE� MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

� CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

� VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

� PROGRAMMAZIONE FUTURA

� ATTIVITA’ DI FORMAZIONE

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XXIX Ciclo

Lo sviluppo della modellistica 3D e la crescente disponibilità di dati informatizzati contribuiscono

alla definizione del modello idrogeologico concettuale.

Modello geologico 3D (MOVE – Midland Valley Exploration Ltd 2014)

Rappresentazione geometrica completa della geologia profonda tramite integrazione di dati DEM,

mappe geologiche, sondaggi, sezioni geologiche e sezioni sismiche (Borracini et al., 2004;

ATTIVITA’ II ANNO – RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

Kaufmann & Martin, 2008; Gallerini & De Donatis, 2009; Cocco, 2014).

Modello numerico di flusso e trasporto (Modflow -McDonald and Harbaugh, 1984)

Codice basato sul metodo delle differenze finite con struttura modulare. Permette la simulazione del

flusso idrico sotterraneo e la simulazione del trasporto dicontaminanti.

Integrazione tra modello geologico 3D e modello numerico di flusso

Approccio metodologico usato per la caratterizzazione degli acquiferi e la simulazione del

comportamento del sistema in funzione di diversi stress ambientali (Turner et al., 2015; Artimo et

al., 2003; 2008).

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XXIX Ciclo

� INTRODUZIONE

� OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

� AREA DI STUDIO

� ATTIVITA’ II ANNO

� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE� MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

� CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

� VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

� PROGRAMMAZIONE FUTURA

� ATTIVITA’ DI FORMAZIONE

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ATTIVITA’ II ANNO – MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

MODELLO GEOLOGICO 3D(attività I anno)

Contatto erosivo tra i depositi alluvionali e il basamento

roccioso datato al Neogene.

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XXIX Ciclo

ATTIVITA’ II ANNO – MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

COSTRUZIONE DEL MODELLO

PMWin – Processing ModflowVersione 5.3.3

(Simcore software, 2015)

Integra codice MODFLOWIntegra codice MODFLOW(USGS –McDonald and Harbaugh, 1984)basato sul metodo delle differenze finite

struttura modulare

Griglia regolare costituita da:79 colonne118 righe

Dimensione cella 29 m x 29 mTipo layer: 1 (non confinato)

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ATTIVITA’ II ANNO – MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

DATI DI INPUT

ORIZZONTE SUPERIOREDEM SRTMGL1

ORIZZONTE INFERIOREModello geologico 3DModello geologico 3D

CONDUCIBILITA’ IDRAULICA ORIZZONTALEK compreso tra 1 x 10-2 m/s e 3 x 10-3 m/s

caratteristiche litologiche delle alluvioni (report stratigrafici – MdH, 1980) confrontate con valori riportati in bibliografia

(Todd & Mais, 2005)

RICARICA NATURALE5% (Houchine, 2010) delle precipitazioni medie annue

(150 mm/anno –www.tutiempo.net)

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XXIX Ciclo

� INTRODUZIONE

� OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

� AREA DI STUDIO

� ATTIVITA’ II ANNO

� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE� MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

� CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

� VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

� PROGRAMMAZIONE FUTURA

� ATTIVITA’ DI FORMAZIONE

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XXIX Ciclo

ATTIVITA’ II ANNO – CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

PROCESSO ITERATIVO PER LACALIBRAZIONE DEI PARAMETRI

Carta della conducibilità idraulica calibrata

CONDUCIBILITA’ IDRAULICA ORIZZONTALEK compreso tra 1 x 10-3 m/s e 1 x 10-6 m/s

RICARICA NATURALEBasso impatto sulla calibrazione del modello

Nessuna modifica effettuata

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WATER BUDGET

IN (m3) OUT (m3) IN-OUT (m3)

ATTIVITA’ II ANNO – CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

Ricarica per infiltrazione:13.618 m3/anno

CONSTANT HEAD 1.85 E10-1 4.08 E10-2 1.44 E10-1

DRAINS 0 1.44 E10-1 -1.44 E10-1

RECHARGE 4.32 E10-4 0 4.32 E10-4

SUM 1.852 E10-1 1.853 E10-1 -7.461 E10-4

DISCREPANCY -0.04%

Risultati della calibrazione per lo stato stazionario

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XXIX Ciclo

� INTRODUZIONE

� OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

� AREA DI STUDIO

� ATTIVITA’ II ANNO

� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE� MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

� CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

� VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

� PROGRAMMAZIONE FUTURA

� ATTIVITA’ DI FORMAZIONE

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XXIX Ciclo

Mappe delle quote relative date dalla sottrazione delle quote ASTER alle quote SRTM

ATTIVITA’ II ANNO – VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

Medenine Biskra

Estensione tile1° lat x 1° long

ASTER GDEM2Rilasciato nel 2009

SRTMGL1Rilasciato nel settembre 2014

Accuratezza orizzontale1 Arco Secondo(circa 30 metri)

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Mappe delle quote relative date dalla sottrazione delle quote ASTER alle quote SRTM

ATTIVITA’ II ANNO – VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

Estensione tile1° lat x 1° long

ASTER GDEM2Rilasciato nel 2009

SRTMGL1Rilasciato nel novembre

2014

Accuratezza orizzontale1 Arco Secondo(circa 30 metri)

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ATTIVITA’ II ANNO – VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

Ubicazione dei GCP (Punti di Controllo a Terra) sul DEM SRTMGL1

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XXIX Ciclo

Study area Comparison Max – (m) Max + (m) Mean (m) Std dev . (m)

MedenineSRTM – GCP -17 42 6,75 16,01

ASTER – GCP -26 44 8,07 15,2

ATTIVITA’ II ANNO – VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

RISULTATI DELLA VALIDAZIONE DEI DATASET DEM TRAMITE I GCP

ASTER – GCP -26 44 8,07 15,2

Study area Comparison Max – (m) Max + (m) Mean (m) Std dev . (m)

BiskraSRTM – GCP -42 69 -1,25 11,32

ASTER – GCP -41 67 -6,38 13,02

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XXIX Ciclo

� INTRODUZIONE

� OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

� AREA DI STUDIO

� ATTIVITA’ II ANNO

� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE� MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

� CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

� VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

� PROGRAMMAZIONE FUTURA

� ATTIVITA’ DI FORMAZIONE

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XXIX Ciclo

PROGRAMMAZIONE FUTURA

REGIONE DI BATNA E BISKRA (ALGERIA)

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE

� Implementazione del modello idrogeologico 3D a scala di bacino al fine di avereun’informazione più completa del sistema di circolazione idrica sotterranea e dei rapportitra i vari acquiferi.

� Calibrazionedel modellodi flussonumericonello statotransitorio;� Calibrazionedel modellodi flussonumericonello statotransitorio;

� VALUTAZIONE DEGLI IMPATTI DEI SISTEMI MAR SULL’ACQUIFERO

� simulazione degli effetti della ricarica sull’acquifero Inféro-flux tramite il modellonumerico di flusso.

REGIONE DI MEDENINE / OUMZESSAR (TUNISIA)� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE

� Elaborazione di una cartografia geologica a scala di dettaglio (1:50.000) integrando i datidella cartografia ufficiale, i dati ottenuti durante le campagne di rilevamento el’interpretazione delle immagini satellitari Landsat 8;

� Ricostruzione 3D del modello geologico e idrogeologico concettuale dell’area di studio,per la comprensione dei rapporti tra i diversi complessi acquiferi.

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XXIX Ciclo

� INTRODUZIONE

� OBIETTIVI GENERALI DELLA RICERCA

� AREA DI STUDIO

� ATTIVITA’ II ANNO

� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE� RICERCA BIBLIOGRAFICA E STATO DELL’ARTE

� COSTRUZIONE MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE� MODELLO NUMERICO DI FLUSSO

� CALIBRAZIONE PER LO STATO STAZIONARIO

� VERIFICA E VALIDAZIONE DEM

� PROGRAMMAZIONE FUTURA

� ATTIVITA’ DI FORMAZIONE

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XXIX Ciclo

ATTIVITA’ DI FORMAZIONEPeriodo di Ricerca all’Estero (18 CFR)

Struttura: Observatoire du Sahara et du Sahel (OSS) Tunisi (Tunisia)– Partnerprogetto Wadis-Mar

Supervisore: Mouhamadou Ould Baba Sy, esperto in modellisticaidrogeologica

Periodo: 3 mesi (07 febbraio 2015 – 10 Maggio 2015)

Partecipazione a Congresso Internazionale (2,4 CFR)

Titolo: The International Conference on: “Integrated land and Water ResourcesManagement in the Dry Areas Under Climate Change”_ILDAC 2015

Società organizzatrice: Institut des Régions Arides IRA – Djerba (Tunisia), 11-13 Maggio 2015.

Partecipazione a Conferenza Nazionale (0,5 CFR)

Titolo: WDCD: Experiences of Integrated Water Management to CombatDesertification

Abstract a congresso Internazionale (3 CFR)

Autori: Giorgio Ghiglieri, Mohamedou Oulb Baba Sy, Houcine Yahyaoui, Mohamed Ouessar,Arezki Ouldamara, Albert Soler, Claudio Arras, Manuela Barbieri, Oumelkheir Belkheiri,Mongi Ben Zaied, Cristina Buttau, Alberto Carletti, Stefania Da Pelo, Abdelkader Dodo,Antonio Funedda, Nadia Maio, Elhadj Meftah, Fathia Mokh, Kamel Nagaz, Maria TeresaMelis, Alessandra Paulotto, Mouski Said, Mongi Sghaier, Mesrati Toufik, AbderezakZahrouna & Giuseppe Enne

Titolo: Managed Aquifer Recharge (MAR) Systems in two semi-arid regions of Maghreb:Oum Zessar (Tunisia) and Wadi Biskra (Algeria)

Congresso: ILDAC 2015 – National Meeting on Hydrogeology – Djerba (Tunisia), 11-13Maggio 2015.

Abstract a congresso Internazionale (3 CFR)

Autori: Gabriela-Mihaela Afrasinei, Maria Teresa Melis, Claudio Arras, Cristina Buttau,Bouajila Essifi, Messaoud Guied, Amor Jlali, Hanen Jarray, Mohamed Ouessar, Mongi BenZaied, Amar Zerrim, Giorgio Ghiglieri

Titolo: A classificationmethodfor detectingandevaluatingchangesin desertification-related

Articolo ( CFR)

Autori: Gabriela M. Afrasinei, Maria T. Melis, Cristina Buttau,John M. Bradd, Claudio Arras & Giorgio Ghiglieri

Titolo: Diachronic analysis of salt-affected areas using remotesensing techniques: the case study of Biskra area (Algeria).

Rivista: Proceedings of SPIE Vol. 9644 96441D-15

Nota Breve su rivista Nazionale (2 CFR)

Autori: Claudio Arras, Vittorio Longo, Valeria Testone, AlbertoCarletti, Cristina Buttau,Stefania Da Pelo, Mohamed Ouessar,Giorgio Ghiglieri

Titolo: Electrical Resistivity Tomography for the identificationof the alluvium-Triassic boundary in Medenine Region (SETunisia).

Rivista: Rend. Online Soc. Geol. It., Vol. 35 (2015), pp. 10-12,Società organizzatrice: Nucleo di Ricerca sulla Desertificazione (NRD) &Università di Sassari – Sassari (Italia), 18 Giugno 2015.

Presentazione Poster a Congresso Internazionale (3 CFR)

Autori: Claudio Arras, Maria Teresa Melis, Gabriela-MihaelaAfrasinei,Cristina Buttau & Giorgio Ghiglieri

Titolo: Evaluation of SRTM 1 Arc-Second GDEM data for elevationmodelling in two Maghreb regions (Biskra, Algeria & Medenine, Tunisia)

Congresso: The International Conference on: “Integrated land and WaterResources Management in the Dry Areas Under Climate Change” ILDAC2015 – Djerba (Tunisia), 11-13 Maggio 2015.

Presentazione Orale a Conferenza Nazionale (3 CFR)

Autori: Claudio Arras, Cristina Buttau, Giorgio Ghiglieri

Congresso: WDCD: Experiences of Integrated Water Management to CombatDesertification– Sassari (Italia), 18 Giugno 2015.

Titolo: Three-dimensional hydrogeological model of the Biskra and Batnaregion. Modeling of Ouadi Biskra infero-flux aquifer finalized to ManagedAquifer Recharge interventions: first results (NE Algeria).

Abstract a congresso Internazionale (3 CFR)

Autori: Claudio Arras, Maria Teresa Melis, Cristina Buttau, Alberto Carletti &Giorgio Ghiglieri

Titolo: Evaluation of SRTM 1 Arc-Second GDEM data for elevationmodelling in Biskra region (Algeria).

Congresso: ILDAC 2015 – National Meeting on Hydrogeology – Djerba(Tunisia), 11-13 Maggio 2015.

Titolo: A classificationmethodfor detectingandevaluatingchangesin desertification-relatedfeatures in arid and semi-arid environments

Congresso: ILDAC 2015 – National Meeting on Hydrogeology – Djerba (Tunisia), 11-13Maggio 2015.

Abstract a congresso Internazionale (3 CFR)

Autori: Manuela Barbieri, Neus Otero, Raul Carrey, Cristina Domenech, Claudio Arras,Cristina Buttau, Alberto Carletti, Stefania Da Pelo, Clara Torrentó, Elhadj Meftah, AbderezakZahrouna, Albert Soler & Giorgio Ghiglieri

Titolo: Isotopic tools applied to the hydrogeochemical characterization and the identificationof contamination sources in the Oued Biskra watershed (Algeria).

Congresso: AQUA 2015 42nd IAH Congress, Hydrogeology: Back to the Future!– Roma(Italia), 13/18 Settembre, 2015.

Abstract a congresso Internazionale (3 CFR)

Autori: Manuela Barbieri, Neus Otero, Raul Carrey, Cristina Domenech, Claudio Arras,Cristina Buttau, Alberto Carletti, Stefania Da Pelo, Clara Torrentó, Mohamedou Oulb BabaSy, Mohamed Ouessar, Hanen Jarray, Mongi Ben Zaied, Albert Soler &Giorgio Ghiglieri

Titolo: Environmental isotopes (N, S, C, O, D) applied to the hydrogeochemicalcharacterization of the Oum Zessar watershed (Tunisia).

Congresso: AQUA 2015 42nd IAH Congress, Hydrogeology: Back to the Future!– Roma(Italia), 13/18 Settembre, 2015.

Abstract a congresso Nazionale (2 CFR)

Autori: Gabriela-Mihaela Afrasinei, Maria Teresa Melis, Cristina Buttau, Claudio Arras &Giorgio Ghiglieri

Titolo: Analysis of spatio-temporal dynamics of aeolian processes in arid and semi-arid areasusing remote sensing

Rivista: Rend. Online Soc. Geol. It., Vol. 35 (2015), pp. 10-12,2 figs. (doi: 10.3301/ROL.2015.51)

Nota Breve su rivista Nazionale (2 CFR)

Autori: Stefania Da Pelo, Giorgio Ghiglieri, Cristina Buttau,Claudio Cuzzocrea, Alberto Carletti, Riccardo. Biddau, PatriziaFenza, Claudio Arras, Antonio Funedda, Rosa Cidu

Titolo: 3D hydrogeological modelling supported bygeochemical mapping as an innovative approach formanagement of aquifers applied to the Nurra district (Sardinia,Italy).

Rivista: Rend. Online Soc. Geol. It., Vol. 35 (2015), pp. 300-303, 4 figs. (doi: 10.3301/ROL.2015.125)

Corso breve (4 CFR)

Insegnamento: Cartografia Numerica – Docente responsabile:Gen. Afeltra Gennaro; Dott. Geol. Perugi Carlo

Erogato da: Centro di Geo Tecnologie (CGT, Università diSiena)

Durata: 32 ore – 02/05 dicembre 2015

Corso breve (1,5 CFR)

Insegnamento: Analisi di Rischio in Campo Ambientale –Docente responsabile: Laura D’Aprile

Erogato da: Centro di Geo Tecnologie (CGT, Università diSiena)

Durata: 12 ore – 18/19 dicembre 2015

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GRAZIE PER L’ATTENZIONEGRAZIE PER L’ATTENZIONE