DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, EDILE E AMBIENTALE

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1 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, EDILE E AMBIENTALE FORMULAZIONE DEI MODELLI PRELIMINARI DI RICARICA ARTIFICIALE Andrea Comerlati Massimiliano Ferronato Giuseppe Gambolati Carlo Janna Pietro Teatini Padova, novembre 2013

2 Indice 1. Introduzione Sito di Mereto Premessa Ricostruzione della litostratigrafia ed implementazione della griglia di calcolo Risultati numerici Sito di Copparo Premessa Ricostruzione della litostratigrafia e costruzione della griglia di calcolo Scenari simulati Risultati modellistici Conclusioni Bibliografia... 55

3 1. Introduzione Nell'ambito del progetto WATER RE-BORN - Artificial Recharge: Innovative Technologies for the Sustainable Management of Water Resources, l'obiettivo del l'u.o dell'università di Padova è quello di sviluppare un modello di simulazione previsionale della ricarica artificiale. La disponibilità di un tale strumento di calcolo, appropriatamente messo a punto, calibrato e validato su dati idrogeologici e test di ricarica di breve periodo, consente di perseguire varie finalità specifiche, tra cui: la pianificazione e l'ottimizzazione di una rete di monitoraggio per il controllo degli effetti/benefici della ricarica; la previsione degli effetti della ricarica in termini di volumi d'acqua infiltrati/infiltrabili, l'evoluzione della pressione e del campo di flusso sotterraneo, la quantificazione della porzione di territorio che potrà risentire dei benefici della ricarica; la gestione della ricarica, quantificandone gli effetti in funzione dei molteplici parametri che giocano un ruolo principale quali, ad esempio, i volumi d'acqua superficiale a disposizione per la ricarica, i periodi di disponibilità, le finalità specifiche del sito (ad es., la riduzione della concentrazione di sale nell'acqua di strato in periodi critici per la stagione agricola). La ricarica degli acquiferi consente infatti di abbassare lo squilibrio fra richiesta e risorse disponibili per uso umano, agricoltura, attività industriali e artigianali (che necessitano di acqua dolce), arginando dinamiche di uso competitivo delle risorse idriche. Il ripristino di un regime idrico compatibile, soprattutto in aree a forte tutela ambientale, deve infatti prevedere non solo le risorse essenziali ma anche usi per le attività produttive. WARBO intende sviluppare alcune azioni pilota su siti che hanno problemi di degrado qualitativo e quantitativo delle risorse idriche per motivi diversi. Le due aree test prescelte per lo sviluppo di un modello di simulazione sono costituite dai siti di Mereto (UD), nell Alta Pianura Friulana, e di Copparo (FE), nella Pianura Ferrarese. I due siti presentano problematiche differenti dovute alla diversa configurazione geomorfologica. Il sito di Mereto è caratterizzato da terreno ghiaioso estremamente permeabile ed una falda freatica di elevata qualità, relativamente profonda (50 m in media), che si sta approfondendo sempre più negli ultimi anni a causa di un maggiore sfruttamento della risorsa ed una minore ricarica naturale (UNIUD, 2012). Il sito di Copparo è invece caratterizzato da una falda freatica superficiale (2 m di profondità), terreni limo-argillosi poco 1

4 permeabili e acquiferi artesiani, anche relativamente superficiali, che sono contaminati per l'intrusione del cuneo salino (Vaccaro et al., 2013). Come descritto in Comerlati et. al. (2013), data la diversità dei due siti, la simulazione della ricarica richiede due diversi approcci modellistici. Mentre nel caso di Mereto il modello che governa la ricarica è quello di flusso attraverso la zona insatura a seguito di un carico idraulico imposto, nel caso di Copparo il problema di flusso risulta accoppiato con quello del trasporto ed ha luogo principalmente in condizioni sature. Nel presente rapporto è descritta nel dettaglio la metodologia utilizzata per sviluppare i modelli di ricarica nei due siti prescelti. In particolare, per ciascuno dei casi sono riportati: la procedura utilizzata per la costruzione di una griglia di calcolo tridimensionale in grado di rappresentare con elevata accuratezza la geometria della bacino di ricarica e la successione litostratigrafica ottenuta dall'integrazione di tutti i dati geologici e geofisici a disposizione; il set-up modellistico (condizioni iniziali, condizioni al contorno, proprietà idrogeologiche) di diversi scenari utilizzati per testare la risposta modellistica; i principali risultati relativi all analisi di sensibilità condotta con il modello per valutare l'effetto della variabilità dei diversi parametri idrogeologici. 2

5 2. Sito di Mereto 2.1 Premessa Il sito test di Mereto è stato scelto quale sito pilota, in quanto la presenza di una derivazione del fiume Tagliamento è in grado di garantire l approvvigionamento di acqua necessario per la ricarica della falda freatica durante l intero periodo invernale. Le dimensioni del bacino artificiale individuato per eseguire la ricarica sono state accuratamente riprodotte attraverso un'acquisizione Lidar; l'estensione della vasca è pari a circa 700 m 2 con delle dimensioni al fondo pari a 45 6 m ed una profondità di circa 5.5 m (Figura 1). Il sito si trova ad una quota di circa 105 m sul lmm, con le recenti campagne piezometriche che hanno evidenziato una falda freatica alla profondità di circa 50 m rispetto al piano di campagna. L acquifero freatico è costituito da depositi ghiaiosi con diversi gradi di cementazione e conglomerati fratturati; la continuità laterale delle diverse unità è stata verificata nell'area di studio per mezzo di acquisizioni sismiche ad elevata risoluzione (Baradello, 2013) e tomografie elettriche (Affatato, 2013). Lo spessore complessivo del sistema è pari a circa 225 m, al di sotto del quale si incontra il basamento roccioso (depositi Miocenici). L'intervallo di maggiore interesse è costituito dai m più superficiali che sono stati caratterizzati con dettaglio attraverso specifici piezometri/pozzi perforati allo scopo in passato (Figura 2). Figura 1 Restituzione grafica del rilievo Lidar che ha fornito una caratterizzazione di dettaglio delle geometrie della vasca di ricarica di Mereto (da Nieto et al., 2012). 3

6 Figura 2 Colonna litostratigrafica del piezometro PZ6 perforato in prossimità della vasca di ricarica di Mereto. L'interpretazione di prove di infiltrazione e l'analisi delle curve granulometriche di campioni di sedimento hanno fornito una stima della conducibilità idraulica dei depositi ghiaiosi dell ordine di 10-4 m/s. Facendo riferimento a questi valori di conducibilità, calcoli analitici preliminari hanno stimato un flusso potenziale di ricarica pari a circa 0.1 m 3 /s (TAHR, 2012). Per uno studio più accurato del processo di infiltrazione attraverso la zona insatura è stato applicato il modello numerico ad elementi finiti FLOW3D che integra l equazione di Richards. Le basi teoriche, gli approcci numerici utilizzati e la validazione del codice sono già stati descritti nel precedente rapporto tecnico Modello del comportamento dinamico degli acquiferi per ricarica naturale (Comerlati et. al. 2013). 2.2 Ricostruzione della litostratigrafia ed implementazione della griglia di calcolo Per una ricostruzione accurata della geomorfologia del sottosuolo e per una stima accurata dei quantitativi di acqua che possono infiltrare attraverso il fondo del bacino in oggetto, tenendo conto delle possibili eterogeneità presenti nel terreno, è stato implementato un modello ad elementi finiti 4

7 utilizzando una griglia tridimensionale ad elementi tetraedrici generata utilizzando la sequenza litologica ricostruita avvalendosi delle informazioni stratigrafiche a disposizione. In particolare sono stati utilizzate le colonne litostratigrafiche relative ai pozzi PZ1, PZ2, PZ6, PZ8 e PZ10 e la sezione sismica acquisita nel corso le progetto. La loro localizzazione rispetto alla vasca di infiltrazione e all'estensione del modello di flusso è mostrata in Figura 3. Figura 3 Elevazione dell alta pianura friulana nell'area circostante il sito test di Mereto (in blu). Le isolinee in azzurro rappresentano l'elevazione media della falda (m sul lmm) (UNIUD, 2012). E' fornita la posizione dei piezometri (in magenta) e della sezione sismica (in nero) utilizzati per la ricostruzione della litostratigrafia dell area in esame. Il riquadro rosso rappresenta l'estensione planimetrica del dominio adottato nel modello agli elementi finiti. 5

8 Sulla base delle informazione geologiche a disposizione, i m più superficiali dell unità geologica costituente l acquifero sono stati suddivisi in quattro unità denominati, partendo dal top, A1, A2, A3 e A4. Le unità sono caratterizzate rispettivamente dalla presenza di: ghiaia; ghiaia con tracce di argilla; ghiaia ed infine, ghiaia cementata. In Figura 4 - Figura 7 sono riportate le mappe relative all elevazione del terreno e del top dei gli orizzonti geologici ricostruiti attraverso interpolazione geo-statistica delle informazioni ottenute dai pozzi sopra citati. In corrispondenza al pozzo PZ6 la falda si trova ad una quota di circa 42 m slm mentre il gradiente idraulico a scala regionale risulta circa pari allo 0.1% da Nord verso Sud (Civita 2005). In Figura 8 è riportata una vista assonometrica della griglia tridimensionale di calcolo con indicazione del bacino in oggetto e dalla quale si può evincere la sequenza litostratigrafica inserita nella modellizzazione. Il dominio considerato ha un estensione di m ed è delimitato superiormente dalla superficie del terreno ed inferiormente da un basamento posto ad una quota di 35 m sul lmm, per uno spessore complessivo del dominio che in media è pari a 65 m. Figura 4 Elevazione del terreno (m sul livello medio mare) del dominio di simulazione. 6

9 Figura 5 Elevazione del top (m sul lmm) del livello geologico A2. Figura 6 Elevazione del top (m sul lmm) del livello geologico A3. 7

10 Figura 7 Elevazione del top (m sul lmm) del livello geologico A4. Figura 8 Vista tridimensionale della griglia tridimensionale di calcolo ad elementi finiti. 8

11 Per rappresentare accuratamente la topografia del terreno in corrispondenza al bacino di infiltrazione (Figura 9) e la corrispondente litostratigrafia, la griglia di calcolo implementata consta di nodi e di tetraedri, con una dimensione degli elementi che varia da 2 m di lato nelle zone più prossime al lago, a 6 m in prossimità alla frontiera del dominio. Per la costruzione delle superfici triangolate dei vari livelli e la generazione dei tetraedri sono stati usati i software Triangle (Shewchuk, J.R. 1996, 2002) e Tetgen (Si, H. 2013). Attraverso l uso di questi strumenti è stato possibile controllare agevolmente il sizing degli elementi all interno delle varie regioni e, nel contempo, verificarne la qualità. La condizioni iniziale usata nel problema di flusso è rappresentata dalla relazione: x y z z x y z x y 0,, w,, (1) dove z w è la quota della falda nel generico punto avente coordinate planimetriche xy, e quota pari a z; ciò significa che è stata imposta una pressione idrostatica al di sotto della superficie della falda. Figura 9 Livello di discretizzazione utilizzato per rappresentare accuratamente nel modello il bacino di ricarica. 9

12 La condizione (1) è stata utilizzata anche per definire le condizioni al contorno in corrispondenza ai boundary laterali del dominio; si fa notare che l'area considerata nella modellizzazione a ben più ampia del bacino di ricarica in modo che le condizioni al contorno non condizionino in modo significativo la risposta del modello nell'area di interesse attorno alla vasca. Flusso nullo è stato invece imposto in corrispondenza al bottom del dominio (ubicato all'interno dello strato di conglomerati compatti) e sulla superficie del terreno (si è ipotizzato che la ricarica zenìtale a seguito della precipitazione sia trascurabile rispetto a quella artificiale durante l'intervallo coperto dalla simulazione), fatta eccezione per i nodi di fondo del lago dove, per l intera durata della simulazione, è stato imposto un carico idraulico costante pari a: x, y z z x, y z z x, y (2) L L essendo zl m sul lmm il livello d acqua mantenuto all interno del lago e z è la quota del generico punto del fondo avente coordinate planimetriche xy., 2.3 Risultati numerici In attesa del test di ricarica, per valutare almeno preliminarmente l'effetto dell'incertezza sui diversi parametri idraulici del terreno e della possibile presenza di strati/lenti di terreno relativamente poco permeabile (argilla, conglomerati cementati) all'interno del materasso ghiaioso, si è proceduto con uno studio di sensitività del modello ai parametri sopra citati. Si osservi che data la granulometria grossolana del terreno in oggetto, la possibile presenza di anisotropia nei valori di permeabilità è stata esclusa fin da subito. Per l analisi di sensitività del modello sono stati considerati due diversi scenari identificati nel seguito come H1 ed H2. Nello scenario H1 il mezzo poroso è stato considerato omogeneo e sia la permeabilità che le proprietà capillari sono state mantenute costanti sull intero dominio. La determinazione del valore della conducibilità idraulica satura K s, come citato in precedenza, è stata oggetto di indagine mediante un test di infiltrazione. Una prima stima ha suggerito valori dell ordine dei 10-4 m/s TAHR, 2012). Per quanto riguarda invece le curve di risalita capillare, i parametri di van Genuchten sono stati stimati con il software Rosetta (Shaap et al. 1998) utilizzando alcune analisi granulometriche condotte su campioni prelevati dalla vasca si ricarica (Figura 10). 10

13 Figura 10 Curva granulometrica di un campione di sedimento ghiaioso di Mereto. Nello scenario H2 il mezzo poroso è stato assunto eterogeneo, ipotizzando la possibile presenza di frazioni fini nell unità A2 e per la presenza di conglomerati nell unità A4. I valori di conducibilità satura K s, di porosità, di immagazzinamento elastico S s e dei parametri di capillarità utilizzati sono riassunti rispettivamente in Tabella 1 e Tabella 2. I risultati numerici delle simulazioni, in termini di saturazione dopo 4 (a) e 40 (b) giorni di infiltrazione sono mostrati in Figura 11 e Figura 12 rispettivamente per gli scenari H1 e H2. Nello scenario con mezzo poroso omogeneo (H1) in meno di un giorno l acqua infiltrata raggiungere la superficie freatica con un flusso a sviluppo sostanzialmente verticale (Figura 11). Invece, la presenza di strati relativamente poco permeabili all interno dell acquifero ha un ruolo importante nella diffusione laterale sull acqua di ricarica, come si può evincere dalla Figura 12 dove si può notare la formazione di una sorta di acquifero sospeso. L andamento temporale del flusso entrante attraverso il bacino è fornito in Figura 13. E da notare che dopo un iniziale riduzione, il flusso rimane approssimativamente constante durante i 40 giorni simulati. I valori di flusso variano da m 3 /giorno (H1) a 9504 m 3 /giorno (H2). Questi valori risultano in buon accordo con le stime ottenute attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche, ad esempio la formulazione di Green Ampt (TAHR, 2012). Si osservi come nello scenario H2 la 11

14 presenza delle zone a minore permeabilità riduca il flusso entrante di circa 1/3 rispetto allo scenario H1. Tabella 1 Proprietà idrauliche del terreno utilizzate negli scenari simulati. Parameter Unit of measure Scenario H1 Scenario H2 K sa, 1 [m/s] K sa, 2 [m/s] K sa, 3 [m/s] K sa, 4 [m/s] A1 [-] A2 [-] A3 [-] A4 [-] S sa, 1 [1/m] S sa, 2 [1/m] S sa, 3 [1/m] S sa, 4 [1/m] Infine, in Figura 14 è riportata la variazione di pressione nel tempo in corrispondenza ai pozzi PZ6, PZ8 e Pnew (quest'ultimo ubicato circa 50 m a valle del bacino di ricarica, Figura 4) per entrambi gli scenari analizzati. La falda risulta praticamente indisturbata in corrispondenza al pozzo PZ8 il che suggerisce che i pozzi PZ1, PZ2, PZ8 e PZ10 non potranno essere utilizzati per monitorare la variazione di pressione in quanto troppo lontani dal bacino di ricarica. Di maggiore utilità risultano i pozzi PZ6 e Pnew che potranno essere utilizzati per controllare l'andamento temporale dell'effetto della ricarica. 12

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16 Tabella 2 Parametri di capillarità di van Genuchten utilizzati negli scenari simulati. Parameter Unit of measure Scenario H1 Scenario H2 sa, 1 [m] sa, 2 [m] sa, 3 [m] sa, 4 [m] n A1 [-] n A2 [-] n A3 [-] n A4 [-] S wr, A1 [-] S wr, A2 [-] S wr, A3 [-] S wr, A4 [-]

17 Figura 11 Saturazione in acqua lungo due sezioni verticali (nord-sud e ovest-est) dopo 4(a) e 40 (b) giorni di infiltrazione per lo scenario H1. 15

18 Figura 12 Saturazione in acqua lungo due sezioni verticali (nord-sud e ovest-est) dopo 4(a) e 40 (b) giorni di infiltrazione per lo scenario H2. 16

19 Figura 13 Andamento temporale del flusso di acqua che si infiltra attraverso il lago. Figura 14 Variazione di pressione in corrispondenza ai piezometri PZ6, PZ8 e Pnew per gli scenari H1 (a) e H2 (b), rispettivamente. 17

20 3. Sito di Copparo 3.1 Premessa Come accennato nell introduzione, il sito di Copparo presenta problematiche molto diverse da quelle riscontrate nel sito di Mereto. E da osservare prima di tutto che la scala del bacino risulta essere diversa, essendo le dimensioni del lago in oggetto pari a m 2 (Figura 15) contro i 700 m 2 di Mereto. Per contro, anche le proprietà del terreno sono estremamente dissimili per la presenza nei primi 17 m di una successione di strati limosi ed argillosi poco permeabili attraversati in corrispondenza ad una profondità di 9-13 m dal piano campagna, da un paleo-alveo sabbioso relativamente permeabile nel quale è individuabile un acquifero semiconfinato (Vincenzi, 2013); la larghezza del paleo-alveo è di difficile quantificazione, variabile tra 20 e 60 m. La superficie freatica è molto superficiale, a una profondità di m dal piano campagna; un primo acquifero artesiano si colloca ad una profondità di 17 m. Ancora più marcata risulta la differenza rispetto al sito di Mereto in relazione alla qualità dell'acqua sotterranea; infatti, anche a quote relativamente superficiali, la falda risulta caratterizzata da un'elevata concentrazione salina tale da pregiudicarne l'utilizzo anche per le normali attività agricole (Vaccaro et al., 2013). In un contesto così particolare, la possibilità di ricarica della falda mediante infiltrazione di acqua dolce potrebbe assolvere al duplice scopo di immagazzinare acqua, che altrimenti andrebbe persa, riducendo nel contempo la concentrazione di sale in falda. Per la simulazione del flusso a densità e saturazione variabile con trasporto della specie disciolta si è fatto ricorso al codice ad elementi finti SUTRA (Voss, C.I. and Provost, A.M. 2002, Comerlati et. al. 2013). 3.2 Ricostruzione della litostratigrafia e costruzione della griglia di calcolo Per la ricostruzione della litologia sub-superficiale del sottosuolo ed una stima accurata dei quantitativi di acqua che possono essere infiltrati è stato implementato, come nel caso di Mereto, un modello ad elementi finiti dell area in oggetto. La griglia tridimensionale di calcolo ad elementi finiti esaedrici è stata generata utilizzando le stratigrafie ricavate dai piezometri ubicati nell'area 18

21 della cava (vedi Figura 15), in particolare il piezometro profondo PZ8, nonché dalle sezioni geoelettriche che hanno consentito di stimare la variabilità laterale della formazione più permeabile (Abu Neizd, 2013). Figura 15 Mappa della cava di Copparo con ubicazione dei diversi piezometri presenti sul sito ed utilizzati per il monitoraggio. Come si evince dalla stratigrafia del pozzo PZ8 i primi 25 m di terreno sono così costituiti da: i) fino alla profondità di 9 m da terreno limoso; tra 9 e 13 m ancora da terreno limoso interrotto dalla presenza di una struttura sabbiosa costituita da un paleo-alveo; dai 13 ai 17 m da depositi argillosi; infine, al di sotto di 17 m è presente un'unità sabbioso con continuità laterale significativa. Un modello digitale di elevazione del terreno (DEM) nell'area di interesse è stato ottenuto attraverso l'unione di un'acquisizione LIDAR, opportunamente filtrata per eliminare le maggiori variabilità locali che disturberebbe l'applicazione modellistica senza apportare alcuna maggiore accuratezza allo studio del processo di ricarica, con il rilievo batimetrico del fondo del lago (Figura 16). 19

22 Figura 16 Elevazione del terreno nei dintorni della cava di Copparo. Il riquadro in rosso individua l'estensione del dominio utilizzato nelle simulazione agli elementi finiti. Per la costruzione della griglia tridimensionale è stato implementato un codice di calcolo ad hoc (GEN3D_HEX) che, utilizzando come input il DEM e le superfici dei diversi orizzonti geologici, genera per strati una griglia tridimensionale ad esaedri a partire da una griglia triangolare piana. La mesh bidimensionale è stata costruita per mezzo del prepocessore del software ad elementi finiti SOFiSTiK. In Figura 17 è riportata una vista della griglia bidimensionale; si osservi la suddivisione in zone (evidenziate da una diversa colorazione) utilizzata per individuare ed assegnare diverse proprietà idrologiche al fondo del lago e al paleo-alveo. Si osservi che l area del paleo-alveo è stata costruita in modo tale da poterne variare la dimensione trasversale, da un valore massimo di 60 m ad un valore minimo di 20 m, agendo sulle sole proprietà delle zone. 20

23 Figura 17 Griglia bidimensionale ad elementi finiti e suddivisione in zone per l assegnazione delle proprietà idrologiche. In Figura 18 è riportata una vista della griglia tridimensionale ad elementi finiti da dove emerge chiaramente la presenza della cava. Un dettaglio in corrispondenza alla depressione è fornito in Figura 19. Il dominio considerato ha un estensione di m ed è delimitato superiormente dalla superficie del terreno mentre inferiormente da un basamento posto a una quota di -24 m slm. In Figura 20 è riportata una sezione piana del dominio in corrispondenza alla profondità del paleoalveo, che ne evidenzia l andamento e l'accurata rappresentazione geometrica ottenuta con il modello. 21

24 Figura 18 Vista assonometrica della griglia tridimensionale di calcolo a elementi finiti implementata per la simulazione del test di ricarica a Copparo. Figura 19 Dettaglio dnella discretizzazione spaziale per un accurata ricostruzione della topografia del lago. 22

25 Figura 20 Sezione trasversale del dominio e andamento del paleo-alveo all interno dello stesso. La ricostruzione accurata della topografia e della litostratigrafia del sito è stata realizzata utilizzando una griglia di calcolo ad elementi finiti molto fine che totalizza 392'522 nodi e 375'900 esaedri, con una dimensione degli elementi che varia da 2 m di lato, nelle zone prossime al lago, a 80 m in corrispondenza al contorno esterno del dominio. La condizione iniziale sulle pressioni è data come: x y z z x y z x y 0,, w,, (3) dove zw m sul lmm è la quota della falda nel generico punto avente coordinate planimetriche xy, e quota corrispondente pari a z. Per quanto riguarda invece la concentrazione in sale disciolto, sulla base dei valori massimi misurati durante le campagne di monitoraggio (Vaccaro et al., 2013), è stata inizialmente assunto: 23

26 c0 x, y, z (4) su tutto il dominio di calcolo. La concentrazione è espressa come massa di soluto su massa di fluido; come termine di paragone, il valore medio di c per l'acqua di mare è pari a Le equazioni (3) e (4) sono state utilizzate anche per definire le condizioni al contorno in corrispondenza alla frontiera laterale del dominio; anche in questo caso l'estensione planimetrica del modello è sufficientemente ampia per ridurre l'effetto delle condizioni al contorno sull'area di maggiore interesse posta attorno alla cava. Flusso nullo è stato poi assunto in corrispondenza al bottom del dominio e sulla superficie del terreno, fatta eccezione per i nodi di fondo del lago dove, per l intera durata della simulazione, è stato imposto un carico idraulico costante pari a: x, y z z x, y z z x, y (5) L L dove zl 0.31 m è il livello d acqua mantenuto all interno del lago, con z la quota del generico punto posto sul fondo del lago avente coordinate planimetriche xy., Sugli stessi nodi di fondo viene poi imposto un valore della concentrazione di sale pari a: c x, y, z 0.0 (6) a significare che l acqua che infiltra attraverso il lago è dolce. 3.3 Scenari simulati Anche nello studio del sito di Copparo a cause delle numerose incertezze presenti, è stato condotto uno studio di sensitività del modello ai principali parametri del sistema quali: la natura del fondo del lago; il valore dei coefficienti di dispersione longitudinale e trasversale; ed infine, la dimensione trasversale del paleo-alveo. Nell'analisi di sensitività del modello sono stati individuati sei diversi scenari identificati nel seguito come H1A, H1B, H2A, H2B, H3A e H3B. Negli scenari H1A e H1B la larghezza trasversale del paleo-alveo è stata considerata costante e pari al valore massimo di 60 m, assumendo che lo strato a spessore variabile (dipendendo dalla profondità variabile di scavo della cava stessa) che separa il fondo del lago dal top del paleo-alveo sia limoso (scenario H1A, Figura 21 e Figura 22) o sabbioso 24

27 (scenario H1B, Figura 23 e Figura 24). In entrambi gli scenari i coefficienti di dispersione longitudinale e trasversale sono stati differenziati in funzione dei diversi valori di permeabilità del terreno come riportato nelle Tabella 3 e Tabella 4. Gli scenari H2A e H2B sono simili ai precedenti salvo considerare un valore costante della dispersività longitudinale e trasversale indipendentemente dalla permeabilità del terreno. Infine, negli scenari H3A e H3B è stata invece considerata la dimensione trasversale minima del paleo-alveo (pari a 20 m), assumendo nuovamente il fondo della cava limoso (Figura 25 e Figura 26) o sabbioso (Figura 27 e Figura 28). Anche in questi scenari i coefficienti di dispersione longitudinale e trasversale sono stati differenziati in funzione dei diversi valori di permeabilità (vedi Tabella 3 e Tabella 4). In tutti gli scenari considerati è stato considerato che l infiltrazione avvenga a carico idraulico costante per una durata di 360 giorni (~1 anno). Per quanto riguarda le proprietà del fluido, la densità dell acqua è stata assunta variabile in funzione della concentrazione di sale disciolto secondo la legge seguente: c c c c 0 0 (7) dove 0 è la densità del fluido alla concentrazione c 0 di riferimento (assunta pari a c0 0, ovvero quella dell'acqua dolce). Normalmente alla temperatura di 20 C la densità 0 ed il coefficiente c sono assunti rispettivamente pari a a 1000 kg/m 3 e 700 kg/m 3. La viscosità del fluido è stata invece assunta costante con valore pari a: 10-3 Pa s 25

28 Figura 21 Distribuzione della permeabilità intrinseca [m 2 ] in superficie per gli scenari H1A e H2A. Figura 22 Distribuzione della permeabilità intrinseca [m 2 ] alla quota del paleo-alveo per gli scenari H1A e H2A. 26

29 Figura 23 Distribuzione della permeabilità intrinseca [m 2 ] in superficie per gli scenari H1B e H2B. Figura 24 Distribuzione della permeabilità intrinseca [m 2 ] alla quota del paleo-alveo per gli scenari H1B e H2B. 27

30 Tabella 3 Proprietà del terreno e parametri di van Genuchten delle curve di risalita capillare utilizzati negli scenari H1A, H1B, H2A e H2B. Parameter Unit of measure Sabbia Limo Argilla K s [m/s] [-] S s [1/m] L [m] T [m] n [-] [1/Pa] S wr [-] Tabella 4 Proprietà del terreno e parametri di van Genuchten delle curve di risalita capillare utilizzati negli scenari H3A e H3B. Parameter Unit of measure Sabbia Limo Argilla K s [m/s] [-] S s [1/m] L [m] T [m] n [-] [1/Pa] S wr [-]

31 Figura 25 Distribuzione della permeabilità intrinseca [m 2 ] in superficie per lo scenario H3A. Figura 26 Distribuzione della permeabilità intrinseca [m 2 ] alla quota del paleo-alveo per lo scenario H3A. 29

32 Figura 27 Distribuzione della permeabilità intrinseca [m 2 ] in superficie per lo scenario H3B. Figura 28 Distribuzione della permeabilità intrinseca [m 2 ] alla quota del paleo-alveo per lo scenario H3B. 30

33 3.4 Risultati modellistici Dal punto di vista modellistico i risultati più interessanti sono quelli in termini di variazione della concentrazione rispetto al valore iniziale assunto costante su tutto il dominio. Per i vari scenari analizzati le mappe di concentrazione in sale dopo 180 e 360 giorni di infiltrazione sono mostrate in sequenza da Figura 29 a Figura 52. La mappe di pressione e di saturazione non risultano particolarmente significative date le modeste variazioni a seguito della forzante molto limitata imposta al sistema (un battente di acqua dolce nella cava di circa 2 m al di sopra della falda). Dal punto di vista qualitativo si osserva come la permeabilità dello strato che separa il fondo della cava dal top del paleo-alveo costituisca uno dei parametri fondamentali nel regolare l infiltrazione dell acqua dolce. Dal confronto delle mappe di concentrazione a 180 che a 360 giorni, relativamente agli scenari H1A e H1B (vedi Figura 29 - Figura 36), si evince come nel secondo caso sia presente una maggiore velocità di penetrazione dell acqua dolce; questa, dopo un anno di infiltrazione, arriva a raggiungere il fondo del dominio. In termini quantitativi questo si traduce in un maggiore flusso entrante: 428 m 3 /giorno nello scenario H1B contro i 312 m 3 /giorno dello scenario H1A (Figura 53). Come riportato in Figura 53, la riduzione della dimensione trasversale del palo alveo, comporta una drastica diminuzione dei flussi di acqua dolce che si infiltrano attraverso il fondo del lago, con valori pari a 267 m 3 /giorno e 277 m 3 /giorno per gli scenari H3A e H3B, rispettivamente. Si noti che i flussi negli scenari H3A e H3B risultano simili nonostante la diversa permeabilità del fondo. Questo è probabilmente legato al fatto che in questa configurazione l area del paleo-alveo intercettata dal fondo del lago risulta estremamente limitata rispetto alla superficie del fondo stesso (circa 3700 m 2 contro i m 2 del lago). 31

34 Figura 29 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione per lo scenario H1A. Figura 30 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H1A. 32

35 Figura 31 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione per lo scenario H1A. Figura 32 Mappa della concentrazione di sale dopo [-] 360 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H1A. 33

36 Figura 33 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione per lo scenario H1B. Figura 34 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H1B. 34

37 Figura 35 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione per lo scenario H1B. Figura 36 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H1B. 35

38 Come mostrato nelle Figura 37 - Figura 44 i risultati relativi agli scenari H2A e H2B sono simili a quelli relativi agli scenari H1A ed H1B. Anche in termini quantitativi i flussi non differiscono di molto risultando pari a 310 m 3 /giorno per lo scenario H2A e 430 m 3 /giorno per lo scenario H2B (vedi Figura 53). Questo a significare che la differenziazione nei valori dei coefficienti di dispersione longitudinale e trasversale gioca un ruolo trascurabile. La sola differenza ravvisabile con lo scenario precedente è che valori maggiori dei coefficienti di dispersione all interno degli strati meno permeabili danno luogo a concentrazioni con gradiente spaziale più dolce, senza quel carattere di fronte che invece tendono ad assumere quando si utilizzino valori bassi di all interno degli strati meno permeabili. L e Dalle sezioni trasversali riportate (realizzate in corrispondenza al paleo-alveo) risulta interessante osservare come l acqua dolce infiltrata, una volta superato lo spessore che costituisce il fondo del lago, trovi una direzione preferenziale all interno del paleo-alveo stesso T 36

39 Figura 37 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione per lo scenario H2A. Figura 38 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H2A. 37

40 Figura 39 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione per lo scenario H2A. Figura 40 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H2A. 38

41 Figura 41 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione per lo scenario H2B. Figura 42 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H2B. 39

42 Figura 43 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione per lo scenario H2B. Figura 44 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H2B. 40

43 Figura 45 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione per lo scenario H3A. Figura 46 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H3A. 41

44 Figura 47 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione per lo scenario H3A. Figura 48 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H3A. 42

45 Figura 49 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione per lo scenario H3B. Figura 50 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H3B. 43

46 Figura 51 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 360 giorni di infiltrazione per lo scenario H3B. Figura 52 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 180 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H3B. 44

47 Figura 53 Andamento temporale del flusso di acqua infiltrata attraverso il fondo del lago per i diversi scenari considerati (a). Un dettaglio degli andamenti è riportato in (b). Figura 54 Andamento temporale del volume di acqua dolce infiltrato attraverso il lago. In Figura 54 è riportato l andamento temporale dei volumi d acqua entranti attraverso il fondo del lago per gli scenari considerati. Si può osservare che salvo il periodo iniziale, nel quale l'infiltrazione diminuisce come mostrato in Figura 53 i volumi d acqua entranti crescono 45

48 linearmente all aumentare del tempo. Dopo 360 giorni di infiltrazione i volumi variano da un massimo di m 3 per gli scenari H1B e H2B ad un minimo di m 3 per lo scenario H3A. La mappa di Figura 55 fornisce la posizione di alcuni punti utilizzati per analizzare l'andamento temporale delle variabili simulate. Si osservi che in corrispondenza al punto di controllo C1 (Figura 56), molto vicino al contorno del modello, viene stimato un innalzamento massimo della falda pari a 0.12 m dopo 360 giorni di infiltrazione con lo scenario H2A. Sul punto di controllo C3 è calcolato per gli scenari H1B e H2B (Figura 57 e Figura 58) un innalzamento della quota di falda fino 2.03 m. Ciò può senz altro attribuirsi al fatto che il punto C3 intercetta la zona di passaggio del paleoalveo. Infine, in corrispondenza al punto di controllo C4, posizionato al di sotto del fondo del lago, la variazione di pressione arriva fin da subito in stazionario rimanendo poi costante per l intero periodo simulato come riportato in Figura 59. In relazione alla concentrazione, si riporta l'andamento temporale di c per gli stessi punti di controllo (Figura 60 - Figura 63). Si noti la grande differenza quando sul punto C3 si passa dallo strato limoso superficiale (Figura 62a ) al paleo-alveo sabbioso (Figura 62b). In Figura 62b si noti anche che qualora la larghezza del paleo-alveo sia pari a 20 m (scenario H3a), la concentrazione in C3 si riduce in modo limitato anche alla profondità di m sul lmm. Questo a conferma che l'effetto della ricarica rimane ben confinato all'interno dello strato permeabile. Figura 55 Posizione dei punti di controllo per la valutazione dell andamento temporale della pressione. 46

49 Figura 56 Variazione della pressione [Pa] in corrispondenza al punto di controllo C1 per gli scenari considerati. La variazione in [m] di colonna d'acqua si ottiene dividento per i valori in [Pa]. Figura 57 Variazione della pressione [Pa] in corrispondenza al punto di controllo C2 per gli scenari considerati. 47

50 Figura 58 Variazione della pressione [Pa] in corrispondenza al punto di controllo C3 per gli scenari considerati. Figura 59 Variazione della pressione [Pa] in corrispondenza al punto di controllo C4 per gli scenari considerati. 48

51 Figura 60 Variazione della concentrazione [-] in corrispondenza al punto di controllo C1(z = -1.5 m sul lmm) per gli scenari considerati. Figura 61 Variazione della concentrazione [-] in corrispondenza al punto di controllo C2 (z = -1.5 m sul lmm) per gli scenari considerati. 49

52 (a) Figura 62 Variazione della concentrazione [-] in corrispondenza al punto di controllo C3 per gli scenari considerati: (a) z = -1.5 m sul lmm; (b) z = -9.5 m sul lmm, ovvero all'interno del paleo-alveo. (b) 50

53 Figura 63 Variazione della concentrazione [-] in corrispondenza al punto di controllo C4 (z = -9.5 m sul lmm ) per gli scenari considerati. Relativamente allo scenario H1A, la simulazione di ricarica è stata prolungata fino a circa 2 anni. I risultati sono forniti in Figura 64 - Figura 67 dopo 540 e 720 giorni dall'inizio della ricarica. Nelle sezioni trasversali fatte in corrispondenza all'ubicazione del paleo-alveo si esalta ulteriormente il maggiore movimento dell'acqua nella struttura sabbiosa rispetto al circostante suolo limo-argilloso. Infine, è stata condotta una simulazione per analizzare l'evoluzione della concentrazione qualora termini l'afflusso di acqua dolce nella cava. La valutazione, eseguita per lo scenario H2B, prevede che dopo 6 mesi di ricarica (che potrebbe corrispondere al periodo invernale quando c'è maggiore disponibilità d'acqua nella rete superficiale), il livello nella vasca torni alla quota della falda indisturbata (nei 6 mesi estivi quando l'acqua dolce potrebbe non essere disponibile perchè usata per l'irrigazione). I risultati (Figura 68) evidenziano come l'effetto positivo della riduzione di concentrazione nel paleo-alveo permanga comunque anche durante il periodo estivo, benché abbia luogo un certo recupero della concentrazione salina. 51

54 Figura 64 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 540 giorni di infiltrazione per lo scenario H1A. Figura 65 Mappa della concentrazione di sale dopo [-] 540 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H1A. 52

55 Figura 66 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 720 giorni di infiltrazione per lo scenario H1A. Figura 67 Mappa della concentrazione di sale [-] dopo 720 giorni di infiltrazione in corrispondenza alla quota del paleo-alveo per lo scenario H1A. 53

56 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 68 Scenario H2B: mappe della concentrazione di sale [-] dopo (a) 60, (b) 120, (c) 180, (d) 240, (e) 300 e (f) 360 giorni dall'inizio della ricarica. A partire da 180 giorni la ricarica viene bloccata. 54

57 5. Conclusioni Sono stati messi a punto i modelli allo stato dell'arte per la gestione della ricarica artificiale nei siti di Mereto e Copparo. Le griglie di calcolo sono state utilizzate per eseguire delle simulazioni fluido-dinamiche preliminari al fine di valutare l'efficacia dell'approccio sviluppato, caratterizzare le problematiche specifiche dei due siti di indagine, valutare l'effetto della variabilità dei diversi parametri idrogeologici. I risultati ottenuti sono soddisfacenti. Pertanto si può ritenere che i modelli siano pronti per ricostruire i test di ricarica che saranno condotti a breve, al fine affinare la calibrare dei principali parametri idrogeologici che caratterizzano i due sistemi. Bibliografia Abu Neizd, N. (2013). Action: 7 Geophysical surveys at Copparo test site: Geoelectrical Resistivity Tomography Surface and borehole. Rapporto Tecnico UNIFE, 18 pp. Affatato, A. (2013). Indagine geofisica di tomografia della resistività elettrica nel campo di ravvenamento di Mereto (UD) macroarea dell Alta Pianura friulana. Rapporto Tecnico OGS, 24 pp. Baradello, L. (2013). Sismica su sito test WARBO (elaborazione ed interpretazione): Mereto di Tomba (UD). Rapporto Tecnico OGS, 6 pp. Civita, M. (2005). Parere tecnico sul ravvenamento dell acquifero nei comuni di Lestizza, Pozzuolo del Friuli, Mereto di Tomba (UD). Consorzio di Bonifica Ledra-Tagliamento (UD). Torino. Comerlati, A., Ferronato, M., Gambolati, G., Janna, C., Teatini, P. (2013). Modello del comportamento dinamico degli acquiferi per ricarica naturale. Rapporto Tecnico UNIPD, 29 pp. Schaap, M.G., Leij, F.J., van Genuchten, M.Th. (1998). Neural network analysis for hierarchical 569 prediction of soil water retention and saturated hydraulic conductivity. Soil Sci Soc Am 570 J 62: Shewchuk, J.R. (1996). Triangle: Engineering a 2D Quality Mesh Generator and Delaunay Triangulator. In: C.L. Ming and M. Dinesh (eds.) Applied Computational Geometry: Towards 55

58 Geometric Engineering, volume 1148 of Lecture Notes in Computer Science, pages Springer-Verlag, Berlin. Shewchuk, J.R. (2002). Delaunay Refinement Algorithms for Triangular Mesh Generation. Computational Geometry: Theory and Applications, 22(1-3): Si, H. (2013). TetGen: A quality tetrahedral mesh generator and Three-Dimensional delaunay triangulator. Version 1.5. User s Manual. TAHR Lda (2012). Estimated infiltration rate in the WARBO test site of Mereto di Tomba, Italy. Technical Brief, 16 pp. Università di Udine (2012). Modello Concettuale del sito di Mereto di Tomba con metodologie idrogeologiche e geochimiche. Technical Report, 18 pp. Vaccaro, C., et al. (2013). Progetto LIFE WARBO - Report covering the project activities from 01/01/2012 to 18/08/2013- Reporting date Rapporto Tecnico UNIFE. Vincenzi, V. (2013). Database stratigrafico dell'area di Copparo (WARBO). Rapporto Tecnico UNIFE, 12 pp. Voss, C.I., Provost, A.M. (2002). (Version of September 22, 2010), SUTRA, A model for saturatedunsaturated variable-density ground-water flow with solute or energy transport. U.S. Geological Survey Water-Resouces Investigation Report , 291 pages. 56