Laboratorio di Idrogeologia Sperimentale e Numerica
Il Laboratorio di Idrogeologia Sperimentale e Numerica svolge attività finalizzate principalmente alla definizione degli aspetti fisici che regolano la circolazione idrica in acquifero, con particolare riferimento a: quantitativi idrici in ingresso, transito e uscita; condizioni e parametri idrodinamici; parametri idraulici; rapporti fiume falda; geometria dei circuiti; limiti del sistema. Più in generale le metodologie e gli strumenti del laboratorio sono utilizzati anche per lo studio dell’evoluzione dei corpi idrici (superficiali e sotterranei) in relazione ai cambiamenti globali.
Il lavoro è svolto su due fronti principali: 1) produzione di dati sperimentali per mezzo di tecniche e strumenti utilizzati sul territorio; 2) modellistica idrogeologica numerica di flusso e trasporto conservativo.
Le attività del laboratorio sono in stretta relazione con quelle di altri laboratori dell’Istituo (ad es. laboratori chimico, isotopico, GIS, ecc.) e supportano una serie di progetti condotti principalmente dalle linee di ricerca IGG “Sistemi Acquiferi: Sostenibilità e Cambiamenti Globali” e “Geotermia”.
STRUMENTI E PERSONALE
Gli strumenti in dotazione al laboratorio permettono la quantificazione ed il campionamento di acque meteoriche, la misura puntuale di portate e livelli idrici, il monitoraggio in continuo dei parametri temperatura-conducibilità elettrica-livello piezometrico-portata, l’esecuzione di prove di emungimento-slug tests-tracciamenti, la scansione in pozzo/piezometro di temperatura e conducibilità elettrica, il campionamento a quota. Sono inoltre utilizzati programmi specifici di acquisizione dati e di modellistica idrogeologica numerica.
Gli strumenti:
- pluviometri/nivometri totalizzatori
- flussimetro ad ultrasuoni AquaProfiler (SEBA-Hydrometrie)
- freatimetri e termofreatimetri
- GPS differenziale (Leica Geosystems)
- sonde multiparametriche CTD-Diver, CeraDiver e TermoBaroDiver (Schlumberger)
- campionatori da quota (HydraSleeve)
- pompe ad immersione a basso ed elevato flusso
- stramazzi
- equipaggiamento per prove di tracciamento
- equipaggiamento per campionamenti e scansioni fisico-chimiche in pozzo/piezometro fino a 500 m di profondità
I programmi di modellistica numerica:
- Visual MODFLOW Premium
- FeFlow
- Groundwater Vistas Advanced
- Groundwater Modeling System-GMS
Personale
Marco Doveri (Ricercatore – Responsabile Laboratorio)
Matia Menichini (Ricercatore)
Sandra Trifirò (Tecnico)
Contatti
+39 050 621 2611 (Marco Doveri)
+39 050 621 2327 (Matia Menichini/Sandra Trifirò)
E-mail:
marco.doveri(at)igg.cnr.it
matia.menichini(at)igg.cnr.it
sandra.trifiro(at)igg.cnr.it
La definizione dei parametri e la comprensione dei processi di carattere fisico passano attraverso l’applicazione di una serie di metodologie, spesso integrate tra di loro:
Definizione della disponibilità idrica - Attraverso l’utilizzo di pluviometri/nivometri totalizzatori vengono raccolte le precipitazioni meteoriche mensili al fine della loro quantificazione e campionamento per la caratterizzazione isotopica. L’installazione prevede la posa in opera anche di sensori termometrici e barometrici (termo-baro diver), i cui dati partecipano alla valutazione dell’evapotraspirazione e conseguentemente della disponibilità idrica e relativo segnale isotopico in entrata nei sistemi, quale tracciante utile alla comprensione di aspetti fisici della circolazione (geometrie, mescolamenti, tempi di residenza, ecc.).
Deflussi idrici - La determinazione dei deflussi idrici è realizzata per mezzo di flussimetro ad ultrasuoni (misure su corsi d’acqua e sorgenti), stramazzi con monitoraggio automatico ed in continuo del livello di sfioro (sorgenti) e con il metodo della diluizione, utilizzando una soluzione salina come tracciante. Nel caso delle misure su corsi d’acqua queste possono essere eseguite su sezioni sequenziali per la verifica dei rapporti fiume-falda.
Idrodinamica e proprietà idrauliche dell’acquifero - Gli aspetti idrodinamici sono studiati sia per mezzo dell’elaborazione di superfici piezometriche (basate su campagne estese ripetute in diverse condizioni di regime), sia attraverso l’analisi dell’andamento nel tempo dei parametri fisico-chimici (temperatura, conducibilità elettrica, livello idrico, portata) monitorati automaticamente ed in continuo su una selezione di punti. L’utilizzo di un GPS differenziale permette una quotatura di precisione del piano di riferimento rispetto al quale derivare le quote piezometriche. Informazioni sul comportamento idrodinamico dei corpi idrici vengono inoltre ottenuti con il prelievo periodico di campioni da sottoporre all’analisi degli isotopi dell’acqua. In relazione al contesto in esame, vengono eseguite prove di tracciamento con soluzione salina allo scopo di ottenere indicazioni sulle velocità di circolazione e sulle proprietà idrodispersive dell’acquifero. I parametri idraulici sono definitivi con l’ausilio di prove di emungimento e/o slug tests.
Caratteristiche geometriche dei circuiti idrici sotterranei – Diverse sono le metodologie utilizzate per ottenere informazioni riguardanti sia l’estensione del dominio dei circuiti idrici sotterranei recapitanti in punti d’interesse, sia la ripartizione spaziale dei circuiti stessi. Una di queste si basa sul confronto tra i valori degli isotopi della molecola dell’acqua di detti punti e le caratteristiche isotopiche delle acque d’infiltrazione. Queste ultime sono ottenute attraverso l’utilizzo di pluviometri/nivometri totalizzatori e, prevalentemente, attraverso il campionamento periodico di specifiche sorgenti, opportunamente selezionate sulla base di un’analisi delle condizioni morfologiche e idrogeologiche del territorio. Le aree di alimentazioni delineate sulla base di questo confronto e di una contestuale analisi idrostrutturale, vengono infine verificate per mezzo di bilanci idrici ed isotopici. Indicazioni di carattere geometrico sono ricavate anche dall’analisi dei valori di livello e/o portata, temperatura e conducibilità elettrica monitorati in continuo in pozzi e/o sorgenti, dallo studio dei profili verticali di temperatura e conducibilità elettrica in pozzi/piezometri, dai risultati dei campionamenti su intervalli di quota differenti all’interno di pozzi/piezometri, dai test idraulici e di tracciamento.
L’approccio numerico – I modelli idrogeologici numerici di flusso e trasporto conservativo si basano prima di tutto sulla grande esperienza di IGG nella realizzazione di modelli concettuali di dettaglio e sull’enorme quantità di dati prodotti a riguardo degli aspetti fisici e geochimici delle risorse idriche. Il lavoro si sviluppa principalmente attraverso l’implementazione, calibrazione e simulazione di modelli fisico-basati a differenze finite, per mezzo del codice di calcolo MODFLOW. Modelli ad elementi finiti vengono inoltre sviluppati utilizzando FEFLOW. L’elaborazione dei modelli avviene sia a scala regionale, sia a scala locale. Previsioni del comportamento dei corpi idrici sotterranei vengono simulate tenuto conto dei risultati di modelli climatici prodotti da gruppi di ricerca esterni con cui il laboratorio collabora (ad es. il gruppo LaMMA). Su questa tematica è inoltre condotta un’attività sperimentale, in collaborazione con ricercatori dell’ISTI-CNR, su l’uso combinato di modelli fisico-basati con quelli di tipo “data-driven”.
AMBITI DI APPLICAZIONE
Le attività del laboratorio vengono principalmente applicate a ricerche in campo ambientale (disponibilità e sostenibilità idrica, problematiche di contaminazione, protezione delle risorse idriche, effetti climatici sulla risorsa idrica, ecc.) e geotermico (valutazione delle risorse geotermiche e idrotermali).
PROGETTI
I principali progetti in cui il laboratorio è stato ed è coinvolto sono:
- Progetto Autorità Idrica Toscana (AIT) - “Realizzazione di un sistema di monitoraggio preventivo dello stato quantitativo delle risorse idriche destinate all’uso idropotabile basato su previsioni meteorologiche, climatologiche e idrogeologiche” (2016-2019);
- Progetto Nazionale di Interesse NEXTDATA - “Un sistema nazionale per la raccolta, conservazione, accessibilità e diffusione dei dati ambientali e climatici in aree montane e marine” (2017-2018);
- Progetto Società Metropolitana Acque Torino (SMAT) - “Studio degli impatti del cambiamento climatico sui corpi idrici sotterranei di approvvigionamento per scopi idropotabili in area torinese” (2016-2018);
- Progetto ISMOGLAC (ISotopic and physical-chemical MOnitoring of GLACial drainages and sea water in the Ny-Alesund area, Svalbard islands - 2015-2020) nell’ambito delle Ricerche CNR in Artico;
- Accordo di collaborazione IGG/DST-UniPi (2015-2016) all’interno del progetto della Regione Toscana “Studio multidisciplinare integrato geologico-ambientale nel bacino del Torrente Baccatoio”, nell’ambito delle attività ed interventi previsti per il superamento della contaminazione da Tallio nell’acqua pubblica;
- Progetto Provincia di Livorno/Regione Toscana/Parco Nazionale Arcipelago Toscano – “I sentieri dell’Acqua dell’Isola di Pianosa” (2015-2016);
- Progetto Industria 2015 - “Acquasense” (2011-2014);
- Accordo di collaborazione IGG/West System nell’ambito del Progetto Autorità di Bacino del Fiume Arno/Comune di Prato/Provincia di Prato/AIT/Publiacqua - “Approfondimento dello studio conoscitivo dell’acquifero della Piana di Prato” (2015-2016);
- Progetto Parco Regionale Migliarino San Rossore Massaciuccoli – “Studio dell’intrusione salina nell’acquifero costiero pisano” (2012-2016).
INTERESSI SCIENTIFICI
Gli interessi scientifici sono rivolti principalmente alla comprensione di processi e meccanismi che regolano gli aspetti quantitativi (e conseguentemente qualitativi) della circolazione idrica nelle differenti tipologie di sistemi acquiferi e nelle diverse condizioni climatico-ambientali. Il tutto finalizzato alla sostenibilità della risorsa da raggiungere attraverso una gestione ottimale, prevedendo anche metodologie specifiche quali ad esempio la ricarica controllata degli acquiferi. In tal senso il laboratorio ha instaurato rapporti in ambito internazionale per lo sviluppo di progetti specifici. E’ inoltre in progetto lo sviluppo di modelli fisici che riproducano a piccola scala contesti idrogeologici con differenti caratteristiche idrodinamiche e la simulazione/studio sugli stessi del ciclo input-circolazione-output, sia in condizioni di ricarica naturale, sia in relazione all’ingresso di sostanze inquinanti e/o di perturbazioni termiche.
Pubblicazioni Selezionate
- Menichini M., Doveri M., Piccini L. (2016) Hydrogeological and geochemical overview of the karst aquifers in the Apuan Alps zone (Northwestern Tuscany, Italy). Italian Journal of Groundwater, AS16/198, 15-23.
- Doveri M., Menichini M. & Scozzari A. (2016). Protection of groundwater resources: worldwide regulations and scientific approaches. In: Scozzari A, Dotsika E (ed.): “Threats to the quality of groundwater resources: prevention and control". Springer, Chapter 1, 13-30.
- El Mezoury L., Kabbaj S., El Mansouri B., Scozzari S., Doveri M., Menichini M., Kili M. (2016). Stochastic modeling of flow in porous media by Monte Carlo simulation of permeability. Math-Recherche et Application, 16, 1-24.
- Molli G., Doveri M., Manzella A., Bonini L., Botti F., Menichini M., Montanari D., Trumpy E., Ungari A., Vaselli L. (2015) Surface - subsurface structural architecture and groundwater flow of the Equi Terme hydrothermal area, northern Tuscany Italy, Italian Journal of Geosciences, 134 (3), 442-457.
- Bravini G., Menichini M. & Doveri M. (2015). Numerical modelling in the coastal aquifer between Burlamacca Canal and Bufalina Ditch (southern Versilia). Italian Journal of Groundwater, 1/139, 29-42.
- Menichini M., Da Prato S., Doveri M., Ellero A., Lelli M., Masetti G., Nisi B. & Raco B. (2015). An integrated methodology to define Protection Zones for groundwater-based drinking water sources: an example from the Tuscany Region, Italy. Italian Journal of Groundwater, 1/139, 21-27.
- El Mezoury L., El Mansouri B., Kabbaj S., Scozzari S., Doveri M., Kili M. & Menichini M. (2015). Numerical modelling of the seasonal variation of the groundwater quality in the aquifer Magra River, Italy. La Houille Blanche, 2, 25-31.
- Barazzuoli P., Bertini G., Brogi A., Capezzuoli E., Conticelli S., Doveri M., Ellero A., Gianelli G., La Felice S., Liotta D., Marroni M., Manzella A., Meccheri M., Montanari D., Pandeli E., Principe C., Ruggeri G., Sbrana A., Vaselli O., Vezzoli L. (2015). Comment on: Borgia A., Mazzoldi A., Brunori C.A., Allocca, C., Delcroix C., Micheli L., Vercellino A., Grieco G., 2014. "Volcanic spreading forcing and feedback in geothermal reservoir development, Amiata Volcano, Italia." J. Volc. Geoth. Res. 284, 16-31. In: Journal of Volcanology and Geothermal Research, v. 303, pp. 1 - 6
- Cervi F., Corsini A., Doveri M., Mussi M., Ronchetti F. & Tazioli A. (2015). Characterizing the recharge of fractured aquifers: A case study in a flysch rock mass of the Northern Apennines (Italy). In: Lollino, G., Arattano, M., Rinaldi, M., Giustolisi, O., Marechal, J.-C., Grant, G.E. (Eds.), Engineering Geology for Society and Territory - Volume 3: River Basins, Reservoir Sedimentation and Water Resources. ISBN 978-3-319-09054-2, Springer. 2015-A1-001, pp. 563-567.
- Doveri M. & Mussi M. (2014). Water isotopes as environmental tracers for conceptual understanding of groundwater flow: An application for fractured aquifer systems in the "Scansano-Magliano in Toscana" area (Southern Tuscany, Italy). Water, 6, 2255 - 2277.
- Giannecchini R., Doveri M. (2014). Approccio multidisciplinare idrogeologico, geochimico e isotopico nello studio dell'intrusione marina. GTA - Geologia Territorio Ambiente, v. 23, 8 - 16.