Valentina Marconi 1, Bart Goes 2

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1 521 INTEGRAZIONE DI METODI GEO-ELETTRICI PER IL RILIEVO DI LENTI DI ACQUA DOLCE IN AMBIENTI COSTIERI, UN CASO DI STUDIO A ZEELAND (PAESI BASSI) Valentina Marconi 1, Bart Goes 2 1 Università di Bologna, 2 Deltares (TNO) - Geological Survey of The Netherlands 1 - Introduzione A causa dell innalzamento del livello marino e dei cambiamenti del clima, l idrogeologia costiera si occupa sempre più frequentemente del monitoraggio della contaminazione da parte di acque marine degli acquiferi superficiali. Il deterioramento della qualità delle acque si traduce, fra le tante implicazioni, nella salinizzazione delle acque irrigue con conseguenti danni per le coltivazioni (fig. 1). A questo proposito vale la pena ricordare che la quasi totalità delle piante da coltivazione per uso alimentare appartiene alla categoria delle glicofite, ovvero la loro sopravvivenza è legata alla disponibilità di acque dolci. Figura 1 - Tipico diradamento delle colture in caso di salinizzazione delle acque superficiali, da Maas (2007)

2 522 Convegno di Maratea Il presente studio riguarda l integrazione di tecniche di rilievo con metodi geo-elettrici diretti e indiretti delle acque superficiali di alcune località costiere nella provincia di Zeeland (Paesi Bassi), in cui le colture agricole sono messe a rischio da una progressiva salinizzazione dell acquifero causata dall elevato tasso di subsidenza della zona. Lo scopo del lavoro è la messa a punto di una metodologia affidabile di interpretazione dei dati derivanti da tomografie elettriche, attraverso la calibrazione con misure dirette della conducibilità elettrica del sistema suolo e acque interstiziali in esso contenute. Un esempio relativo ad un sito agricolo monitorato presso Zeeland (Paesi Bassi) è presentato per illustrare l integrazione tra le due tecniche. 2 - Inquadramento dell area di studio Il drenaggio continuo del sottosuolo torboso e la progressiva bonifica di lagune e laghi litoranei (con conseguente abbassamento del livello della superficie di falda) sono all origine del fenomeno di subsidenza e di intrusione delle acque salate nell acquifero costiero, secondo un processo tipico delle aree a polder 1. L area di studio, indicata in rosso in figura 2, consiste di un mosaico di isole e penisole pianeggianti, in parte situate sotto il livello del mare (da 0 a -2 m rispetto al livello di riferimento nazionale -NAP-). La provincia di Zeeland, prevalentemente agricola, è idrogeologicamente caratterizzata dalla presenza di una risalita di acque francamente salate (piuttosto che salmastre come nel resto del paese) sulle quali galleggiano lenti di acqua dolce, che spesso costituiscono l unica fonte di acqua dolce in superficie. Lo spessore delle lenti (variabile stagionalmente) è tipicamente massimo al centro del sito agricolo e consistentemente ridotto o nullo in prossimità dei canali di drenaggio (fig. 3). Nel contesto territoriale della provincia di Zeeland risultano dunque di particolare importanza la gestione delle acque superficiali e la preservazione delle lenti di acqua dolce, la cui dinamica impone la messa a punto di tecniche di monitoraggio finalizzate a determinarne la distribuzione, la geometria e la variabilità stagionale. 1 Ex aree sommerse, bonificate, atualmente subsidenti e con quota inferiore al livello del mare (tipiche dei Paesi Bassi).

3 Coste: Prevenire, Programmare, Pianificare 523 Figura 2 - Ubicazione dell area di studio Figura 3 - Dinamica di una lente di acqua dolce in un sito agricolo drenato, da Schot et al. (2004)

4 524 Convegno di Maratea A questo scopo le amministrazioni locali (Province of Zeeland) e il Deltares 2 (Utrecht) hanno pianificato una campagna di monitoraggio con l integrazione di metodi geo-elettrici diretti (sonda multiparametrica per la misura di temperatura ed elettroconduttività del terreno) e indiretti (tomografia elettrica per la misura della resistività del sottosuolo). 3 - Tecniche di monitoraggio Il monitoraggio delle lenti di acqua dolce è stato effettuato attraverso due tecniche che, integrate tra loro, consentono la calibrazione e dunque un interpretazione affidabile dei dati. Questi metodi sono sia undimensionali (sonda multiparametrica) che bidimensionali (tomografia elettrica) e le loro caratteristiche principali sono riassunte in tab. 1. Tecnica Dimensione Variabile misurata Profondità Produzione d investigazione giornaliera Sonda 1D ElettroconduttivitàmS/cm Max 4 metri 10 profili Tomografia 2D Resistività elettrica Ω m Max 50 metri ~200 m 3 Tabella 1 - Tecniche a confronto: sonda multiparametrica e tomografia elettrica La sonda multiparametrica, collegata ad un conducimetro standard, misura direttamente temperatura ed elettroconduttività del sedimento saturo. La sonda consiste di un asta verticale (fig. 4), dotata di un sistema di misura in punta, che viene inserita direttamente nel terreno fino a pochi metri di profondità raccogliendo misure spaziate di 10 cm lungo un profilo verticale. Figura 4 - Sonda multiparametrica 2 Geological Survey of The Netherlands. 3 Relativamente ad una spaziatura elettrodica pari ad 1 m.

5 Coste: Prevenire, Programmare, Pianificare 525 La determinazione dell elettroconduttività dell acqua di saturazione del sedimento necessita dell applicazione di un fattore di formazione (proprietà del mezzo poroso), determinato sperimentalmente per i litotipi più frequenti nell area oggetto di studio. A questo scopo, nei punti di misura della sonda sono stati eseguiti dei carotaggi manuali per la ricostruzione litologica dei profili e l identificazione della superficie freatica. Inoltre, l elettroconduttività delle acque nei canali e nei fori dei carotaggi è stata misurata con il conducimetro standard. Conoscendo l elettroconduttività delle acque contenute nei pori e quella dell intero sistema sedimentoacque di saturazione è possibile ottenere il fattore di formazione (F) del litotipo secondo la formula: F = EC acqua /EC sistema (1) Dalla (1) segue la stima dell elettroconduttività delle acque di saturazione: EC acqua =EC sistema *F (2) Nei siti agricoli rilevati i profili con sonda multiparametrica sono stati effettuati perpendicolarmente ai canali di drenaggio, secondo la direzione di massima variazione dello spessore della lente illustrata in figura 3. Infine, per ogni punto di misura è stata calcolata la quota relativa rispetto a quella del canale di drenaggio. L elaborazione dei dati ottenuti tramite la sonda consiste nella semplice eliminazione dei dati misurati nella zona insatura e nella correzione topografica dei profili. Le tomografie elettriche misurano la resistività elettrica del sedimento e del fluido interstiziale in sezioni bidimensionali del sottosuolo. Un gran numero di elettrodi viene posizionato in superficie in uno stendimento perpendicolare ai canali di drenaggio e collegato tramite cavi ad un software di controllo (fig. 5). Figura 5 - Schema dei punti di misura della tomografia elettrica (A) e foto dello stendimento elettrodico (B)

6 526 Convegno di Maratea Lo strumento seleziona gli elettrodi a gruppi discreti di 4, secondo un protocollo predefinito, e registra la resistività apparente (ρ a ) del sedimento (Reynolds, 1997): ρ a = RK (3) La (3) consiste di due fattori: uno è la resistenza R (in Ohm) e l altro è il fattore geometrico (in m) e descrive la configurazione elettrodica utilizzata (le più comuni sono Wenner e Schlumberger). Lo scopo di questa tecnica è ottenere un immagine della distribuzione della resistività reale (ρ) nel sottosuolo, che differentemente da quella apparente è una proprietà del materiale e si misura in Ohm-m (Reynolds, 1997). La trasformazione della resistività apparente in resistività reale viene fatta utilizzando un algoritmo d inversione dei dati, ad esempio quello presentato da Loke e Dahlin (2002), che descrive la resistività in funzione delle coordinate spaziali del sottosuolo e minimizza lo scarto tra resistività misurata (apparente) e invertita (reale). La resistività reale misurata è riferita all intero sistema acqua-sedimento, per cui anche in questa tecnica l applicazione di un fattore di formazione (F) è necessaria per la stima della resistività dell acqua: ρ/ρ w = F (4) Frappresenta l influenza della resistività del litotipo sulla resistività complessiva del sistema (ρ), principalmente determinata dalla resistività dell acqua (ρ w ). 5 - Interpretazione dei dati I sedimenti più diffusi a Zeeland sono torba, sabbie fini e grossolane ed argille. I fattori di formazione di questi litotipi sono stati calcolati sperimentalmente dal TNO ed utilizzati per determinare la conducibilità/resistività delle acque (tab. 2). Conoscendo la resistività/conducibilità delle acque, è possibile stimarne il contenuto di cloruri, che rappresentano lo ione dominante in acquiferi contaminati da ingressione marina. Il limite stabilito per distinguere le lenti d acqua dolce è 3000 mg/l, che corrisponde al limite tra acque salmastre e leggermente saline per gli standard europei dell acqua potabile, ma costituisce un valore soglia adeguato per gli usi agricoli. La trasformazione del valore di elettroconduttività (EC a ) delle acque in un dato di concentrazione di cloruri richiede alcune assunzioni riguardo gli ioni dominanti: - i sedimenti studiati sono di ambiente costiero recente in cui lo ione dominante è il cloro, che costituisce approssimativamente il 75% degli ioni in soluzione;

7 Coste: Prevenire, Programmare, Pianificare la concentrazione della carica molare degli ioni risulta dal prodotto: 0,01* C* EC 4 (mmol l -1 ) (5) In cui C costituisce il fattore di correzione relativo ai due differenti sistemi di misura dell elettroconduttività della sonda multiparametrica e del conducimetro standard 5 (Van Wirdum, 2004). La concentrazione di cloruri [Cl - ] nelle acque è dunque data dalla: [Cl - ] (mg/l) = 0.75 * 35.5 * 0.01 *C * EC a (µs cm -1 ) (6) La resistività delle acque (ρ w ) è stata convertita in concentrazione di cloruri sulla base di una relazione empirica che lega i due parametri, descritta dal grafico di figura 6. Questa relazione è lineare solo per concentrazioni di Cl - superiori a 1000 mg/l, intervallo in cui ricade il limite stabilito tra acque dolci e salmastre per uso agricolo: 3000 mg/l. È da notare che la relazione tra ρ w e Cl - varia con la concentrazione di ioni HCO - 3 nelle acque, se quest ultima è inferiore a 5000 mg/l. Un valore medio di 400 mg/l per la concentrazione di ioni HCO 3 - è stato assunto e in tabella 2 sono stati riportati i risultati del calcolo della resistività dei litotipi più comuni per varie concentrazioni di Cl - nelle acque di saturazione (eseguito sulla base del fattore di formazione). Ad esempio, la resistività di una torba satura di acqua con concentrazione di Cl - pari a 3000 mg/l è 1.2 Ohm/m, che corrisponde alla resistività limite tra la lente di acqua dolce e l acqua salata in un sottosuolo torboso. Figura 6 - Relazione empirica tra la resistività dell acqua (ρ w ), la concentrazione di cloruri Cl - e di ioni HCO 3 - (TNO, 1992) 4 Valida per EC compresi tra 2000 e 5000 µs/cm. 5 L elettroconduttività nella sonda è misurata da una coppia di elettrodi di acciaio, mentre nel conducimetro standard da una doppia coppia di elettrodi di carbonio.

8 528 Convegno di Maratea Infine, i valori di resistività (Ohm-m) ed elettroconduttività (ρ) sono inversamente proporzionali tra loro e sono stati comparati utilizzando la nota uguaglianza: ρ = 10 4 /ρ (7) 6 - Integrazione dei risultati: Brouwersahven, un caso di studio Brouwershaven, località costiera dell isola dello Schouwen Duiveland (Zeeland, Paesi Bassi), è caratterizzata dalla presenza di un interfaccia acqua dolce/salata profonda in media meno di 4m dal piano campagna e da una risalita di acqua salata nei canali di drenaggio. Un sito agricolo rappresentativo è stato scelto per il monitoraggio della lente di acqua dolce in questa località. In Aprile 2007 entrambe le tecniche precedentemente illustrate sono state applicate a questo scopo e sono stati ricavati profili perpendicolari alla direzione dei canali per ottenere informazioni sulla dinamica della lente in prossimità degli stessi. Tabella 2 - Tabella per la trasformazione dei dati di resistività in concentrazione di cloruri

9 Coste: Prevenire, Programmare, Pianificare 529 In primo luogo sono stati eseguiti dei sondaggi manuali per la descrizione litologica del sottosuolo, che è risultato prevalentemente argilloso con interstrati siltosi e sabbiosi, e l individuazione della superficie freatica rilevata a circa 1m dal piano campagna (fig. 7). Le misure di elettroconduttività hanno rilevato la presenza di una lente d acqua dolce, ma la profondità d investigazione massima di questa tecnica, ridotta a 2m dalla presenza d interstrati sabbiosi difficilmente penetrabili, non ha consentito di determinarne il limite inferiore e dunque lo spessore. La tomografia elettrica, eseguita in coincidenza dei punti di misura dell elettroconduttività, è stata effettuata in modo da ottenere una profondità d indagine di circa 20m (con una distanza tra gli elettrodi pari a 1m) in modo da comprendere il limite inferiore della lente d acqua dolce. Secondo la metodologia illustrata nella precedente sezione, la resistività del sottosuolo in corrispondenza della concentrazione limite di cloruri (3000 mg/l) risulta compresa tra 1,8 e 3,2. Questo intervallo rappresenta l intefaccia acqua dolce/salata indicata dalla linea rossa in figura 8. L alternanza di strati argillosi e siltoso-sabbiosi nel sottosuolo ha posto alcune incertezze nella scelta del fattore di formazione e dunque nella determinazione della resistività corrispondente all interfaccia nella tomografia elettrica; il confronto con il profilo di resistività ottenuto dalla conversione delle misure di elettroconduttività rende possibile la validazione dei risultati. L andamento della lente di acqua dolce nei due profili è sostanzialmente sovrapponibile (fig. 8). Figura 7 - Descrizione litologica, ricostruzione morfologica, individuazione della superficie freatica e delle isocrone dei cloruri in un sito agricolo presso Brouwershaven (Zeeland). Profili ottenuti da elettoconduttività misurata con sonda multiparametrica

10 530 Convegno di Maratea Figura 8 - Resistività reale in due profili ottenuti presso Brouwershaven da dati di elettroconduttività (in alto) e di resistività apparente (in basso) 7 - Conclusioni L integrazione delle misure di elettroconduttività e resistività apporta alcuni importanti contributi al monitoraggio dell intrusione salina in ambienti costieri: - effettuare rilievi preliminari speditivi con la sonda multiparametrica che consente di stabilire dove e con quale profondità d indagine eseguire delle tomografie elettriche; - il confronto tra le due tipologie di dati è utile nel processo d interpretazione delle tomografie elettriche, in particolare in siti in cui la disomogeneità litologica del sottosuolo rende difficoltosa l attribuzione di un preciso fattore di formazione;

11 Coste: Prevenire, Programmare, Pianificare la determinazione delle profondità dell interfaccia acqua dolce-salata con le informazioni ottenute da due metodologie integrate risulta più precisa ed adatta a descrivere siti con disponibilità molto limitata e variabile di acque dolci in superficie. Ringraziamenti Questo lavoro è stato realizzato grazie a Gualbert Oude Essink del Deltares (Utrecht), coordinatore del progetto, e a Francesco Sergi. Bibliografia Loke M.H., Dahlin T. (2002) - A comparison of the Gauss-Newton and quasi-newton methods in resistivity imaging inversion, Journal of Applied Geophysics, 49, Maas K. (2007) - Influence of climate change on a Ghyben-Herzberg lens, Journal of hydrology, 347, Møller I., Sørensen K.I., Auken E. (2006) - Geoelectrical methods, in: Kirsch et al. (ed.) Leibniz Institute for Applied Geosciences (pu.), Groundwater resources in buried valleys, Hannover. Reynolds J.M. (1997) - An introduction to applied and environmental geophysics, 1 st ed., Wiley, Schot P.P., Dekker S.C., Poot A. (2004) - The dynamic form of rainwater lenses in drained fens, Journal of Hydrology, 293, Wirdum G. van (2004) - Investigation into the direction and magnitude of water through peat at Thorne Moors, UK, TNO report.