Effetto di A.S.A.P. sul livello, qualità e vulnerabilità dell'acquifero. (Rev. 2c)

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1 1/43 LIFE06/ENV/IT/ A.S.A.P. Actions for Systemic Aquifer Protection The A.S.A.P. project is partially funded by the European Union LIFE Programme Effetto di A.S.A.P. sul livello, qualità e vulnerabilità dell'acquifero Actions for Systemic Aquifer Protection - Implementation and demonstration of a Protocol to scale down groundwater vulnerability to pollution due to overexploitation (Rev. 2c) Type of document: Rapporto di valutazione Deliverable n : D5.4 Author(s): Acque Ingegneria URI: Provincia di Pisa

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3 3/43 Ringraziamenti Questo report è il risultato del lavoro del Team del Progetto A.S.A.P.. Si ringrazia del supporto il dott. Geol. Rudy Rossetto (Scuola Superiore S.Anna, Pisa) Grazie infine a tutti coloro che hanno offerto il loro sostegno nel difficile compito di analizzare ogni questione e con pazienza ne hanno discusso. Ing. Oberdan Cei (o.cei@acqueingegneria.net) Project manager

4 4/43 Sommario 1==>Rapporto di valutazione: l'effetto di A.S.A.P. sul livello, la qualità e sulla vulnerabilità dell'acquifero ==>Obiettivi ==>Ambito ==>Esecuzione e Responsabilità...6 2==>Introduzione ==>Documentazione utilizzata...7 3==>Caratterizzazione dell area di analisi ==>Modello concettuale idrogeologico...9 4==>Modello numerico del flusso ==>Implementazione del modello numerico ==>Il codice alle differenze finite MODFLOW ==>Dominio di studio ==>Parametri idrodinamici e condizioni al contorno ==>La validazione di un modello numerico ==>Obiettivi della calibrazione e data set utilizzato ==>Analisi di sensibilità ==>Calibrazione del modello ==>Metodologia ==>Il modello in stato transitorio ==>Applicazione del modello numerico del flusso ==>Simulazioni predittive ==>Caratteristiche chimiche delle acque ==>Considerazioni conclusive ==>Bibliografia ==>Indici ==>Allegati...46

5 5/43 Scopo di questo documento Il principale scopo del documento è quello valutare gli effetti di A.S.A.P. sull andamento del campo di moto del sistema idrogeologico della pianura di Bientina e delle Cerbaie per mezzo della modellistica numerica idrogeologica. Per quanto concerne la qualità delle acque si rimanda in parte al Report Finale, fornendo in questo report alcuni primi dati. Avvertenze 1. Gli autori di questo documento hanno cercato fin dove possibile di utilizzare un linguaggio comprensibile a lettori di diverse provenienze e utilizzatori con diverse finalità, evitando fin dove possibile l'uso di termini specialistici o settoriali.

6 6/43 1==>RAPPORTO DI VALUTAZIONE: L'EFFETTO DI A.S.A.P. SUL LIVELLO, LA QUALITÀ E SULLA VULNERABILITÀ DELL'ACQUIFERO Questo rapporto è uno dei deliverabie previsti dal Progetto A.S.A.P. incentrato sull'acquifero di Bientina (Pisa, IT).In particolare il Rapporto di valutazione: l'effetto di A.S.A.P. Sul livello, la qualità e sulla vulnerabilità dell'acquifero. è in relazione alla Task 5.- Valutazione e validazione del Protocollo A.S.A.P.. 1.1==>OBIETTIVI L'obiettivo di questo rapporto è quello valutare gli effetti di A.S.A.P. sull andamento del campo di moto del sistema idrogeologico della pianura di Bientina e delle Cerbaie per mezzo della modellistica numerica idrogeologica. Tale metodologia si configura come un utile strumento nei processi decisionali, nella valutazione della disponibilità della risorsa idrica e degli impatti collegati ai prelievi antropici sul campo di moto delle acque sotterranee. Per quanto concerne la qualità delle acque si rimanda in parte al Report Finale, fornendo in questo report alcuni primi dati. 1.2==>AMBITO L'ambito del rapporto riguarda l'intero acquifero del Bientina. La zona di pertinenza alla quale si riferisce il presente Report coincide con l'area A.S.A.P. sulla quale si incentra il progetto e comprende il distretto idrico di Pontedera (Pisa, IT) e i Comuni di Santa Maria a Monte, Calcinaia, San Miniato, Pontedera (escluse aree metropolitane), Castelfranco, Bientina, Vicopisano, Santa Croce sull'arno (escluse aree metropolitane), Cascina. 1.3==>ESECUZIONE E RESPONSABILITÀ Acque Ingegneria (ACQING) è responsabile della stesura del report e dell'analisi.

7 7/43 2==>INTRODUZIONE Il presente rapporto di valutazione intende innanzitutto investigare attraverso l utilizzo di un modello numerico del flusso l andamento del campo di moto delle acque sotterranee e valutare l effetto delle azioni intraprese durante lo svolgimento del Progetto A.S.A.P. sullo stato del sistema idrogeologico sfruttato a scopo idropotabile della pianura di Bientina e delle Cerbaie. A questo scopo è stato implementato un modello numerico del flusso utilizzando il codice alle differenze finite MODFLOW-2000 (Harbaugh et al., 2000) utilizzando l interfaccia grafica GroundWater Vistas v. (ESI, 2006). L implementazione di un modello numerico si articola in numerose fasi di lavoro. Queste hanno inizio con la definizione del modello concettuale idrogeologico attraverso il quale si identificano le unità idrogeologiche che si andranno a rappresentare e lo schema di funzionamento del sistema naturale. In sintesi sono state svolte le seguenti attività: caratterizzazione e concettualizzazione del sistema idrogeologico oggetto del modello numerico; revisione, archiviazione e compilazione in ambiente GIS dei dati disponibili per l effettuazione della valutazione; ricostruzione della geometria del dominio investigato mediante interpolatori deterministici e stocastici; scelta del codice con cui effettuare le simulazioni; implementazione del modello numerico: definizione del dominio del modello e sua discretizzazione, parametrizzazione idrodinamica, assegnazione delle condizioni al contorno e iniziali; effettuazione delle simulazioni in stato stazionario: calibrazione del modello secondo gli obiettivi predefiniti; effettuazione delle simulazioni in stato transitorio: calibrazione del modello secondo gli obiettivi predefiniti; effettuazione delle simulazioni per la valutazione degli effetti del Progetto A.S.A.P. sull andamento del campo di moto delle acque sotterranee in prossimità del campo pozzi delle Cerbaie. 2.1==>DOCUMENTAZIONE UTILIZZATA Per l implementazione del modello numerico in oggetto sono stati utilizzati dati provenienti da più fonti (oltre che dai dati dei partner di progetto). In particolare sono state utilizzate: le banche dati del Servizio Idrologico Regionale per quanto riguarda i dati meteo-climatici; le banche dati della Regione Toscana, del SIRA, della Provincia di Pisa, della Provincia di Lucca, di Acque Ingegneria e varie pubblicazioni edite ed inedite per la ricostruzione del modello concettuale del dominio di studio; le banche dati di Acque Ingegneria per quanto riguarda l ubicazione dei pozzi idropotabili e le portate da essi emunte su base mensile; le banche dati dell Autorità di Bacino del Fiume Serchio, del Fiume Serchio e di Acque Ingegneria per i dati piezometrici monitorati a partire dal dicembre 2002; le banche dati della Provincia di Lucca, Provincia di Pisa e di Acque Ingegneria per l acquisizione dei dati riguardanti i parametri idrodinamici delle unità idrostratigrafiche;

8 8/43 osservazioni di campagna appositamente effettuate allo scopo del presente report

9 9/43 3==>CARATTERIZZAZIONE DELL AREA DI ANALISI Dal punto di vista idrogeologico il dominio investigato, come noto, è quello relativo all'area che comprende la parte terminale della pianura di Lucca, la pianura di Bientina, ed i rilievi delle Cerbaie. Esso è limitato a Nord dalla pianura di Lucca e dalle Pizzorne, ad Nord-Est dalla pianura del sistema Pescia-NievoleFucecchio e dalla zona del Valdarno inferiore compresa tra Santa Croce e Pontedera, a Sud dalla pianura alluvionale dell Arno e dalle Colline Pisane, mentre ad Ovest dai rilievi del Monte Pisano. Fig. 3.1: Assetto idrogeologico della Valle di Bientina (da Baldacci et al., 1994) 3.1==>MODELLO CONCETTUALE IDROGEOLOGICO La costruzione del modello concettuale prevede la schematizzazione del sistema idrogeologico si da rappresentare in modo semplificato, ma efficace il sistema naturale di deflusso delle acque sotterranee. Al fine della definizione del modello concettuale idrogeologico oltre a quanto riportato in letteratura, si sono analizzate le stratigrafie di pozzi e sondaggi disponibili, presenti nelle banche dati citate.

10 ASAP LIFE06/ENV/IT/ ASAP_D5.4_EffettoASAPsuAcquifero_2c 10/43 Fig. 3.2: Carta delle stratigrafie utilizzate e dei punti di cui si dispone dei parametri idrodinamici stimati da prove - The ASAP Partnership -

11 11/43 E stata inizialmente tentata la ricostruzione delle superfici limite dei diversi corpi sopra individuati e sopra discussi, ma l estrema eterogeneità nella distribuzione dei sedimenti (dovuta all alternanza delle fasi deposizionali ed erosive unitamente all attività tettonica) e la spesso cattiva qualità dei dati di sottosuolo a disposizione non permettono di individuare chiaramente il passaggio tra le varie unità stratigrafiche, se non commettendo importanti approssimazioni nell interpretazione della geometria del sottosuolo. Si è quindi scelto di definire un modello concettuale idrogeologico di base in cui potessero essere individuate unità idrostratigrafiche chiaramente riconoscibili ed identificabili. Esso è schematicamente illustrato dalla sezione di Figura 3.3, che, dall alto verso il basso stratigrafico, comprende: una unità idrostratigrafica superficiale costituita dai depositi alluvionali della parte terminale della pianura di Lucca e della pianura di Bientina a bassa conducibilità idraulica; l Unità delle Cerbaie, che definisce una singola unità idrostratigrafica esclusivamente nella parte relativa ai rilievi delle Cerbaie a conducibilità idraulica medio-bassa; relativamente al sottosuolo della pianura di Bientina, una unità idrostratigrafica costituita dal Conglomerato del Serchio e dall Unità delle Cerbaie, con proprietà idrodinamiche intermedie tra le due, e comunque con conducibilità idraulica medio-alta. A questa unità è inoltre riferibile la porzione dell acquifero della pianura di Lucca al limite Nord del dominio di studio; una unità basale costituita dai depositi a granulometria fine, sabbiosi ed in parte sabbioso-ghiaiosi e limosi, riferibile ai depositi del Pliocene MedioSuperiore ed alla parte basale del Pleistocene, a conducibilità idraulica medio-alta.

12 ASAP LIFE06/ENV/IT/ ASAP_D5.4_EffettoASAPsuAcquifero_2c 12/43 Fig. 3.3: Sezione geologica AA' - The ASAP Partnership -

13 13/43 L alimentazione del sistema idrogeologico di Bientina e delle Cerbaie, aldilà della ricarica meteorica diretta, è complessa e prevede molteplici modalità di ricarica. Ad oggi i contributi chiaramente noti sono quelli legati al deflusso in ingresso della falda della pianura di Lucca a Nord e della ricarica dai Monti Pisani attraverso gli apparati di conoide ad Est. Da chiarire sono invece i rapporti tra il sistema idrogeologico e la pianura alluvionale dell Arno - Colline Pisane a Sud ed il dominio che si estende tra il sistema Pescia-Nievole-Fucecchio ed il Valdarno inferiore. Per il primo è possibile ipotizzare un limite a flusso nullo o una ricarica attraverso i depositi del Pliocene che si immergono dalle colline pisane sotto la pianura alluvionale dell Arno, mentre circa il secondo l assetto stratigraficostrutturale porterebbe ad ipotizzare una ricarica legata all acquifero presente nei depositi pliocenici o al limite ancora un flusso nullo legato alla presenza dei lineamenti tettonici al limite Est del rilievo delle Cerbaie. Per quanto riguarda invece l acquifero della pianura di Bientina Baldacci et al. (1994) e in seguito in CNR (2006) evidenziano i principali contributi al sistema rispettivamente sulla base di considerazioni idrogeologiche e delle caratteristiche idrogeochimiche delle acque sotterranee. Essi sono: un contributo in uscita dal sistema idrogeologico della pianura di Lucca, contributo legato agli emungimenti idropotabili ed industriali che avvengono tra Capannori, Porcari ed Altopascio; la ricarica legata agli apporti sotterranei provenienti dall acquifero delle Cerbaie; l infiltrazione diretta delle precipitazioni meteoriche, comunque legata alla generalmente bassa permeabilità dei depositi superficiali che affiorano nella pianura (Nardi et al., 1987); la limitata ricarica sub alveare dei corsi d acqua che attraversano il dominio di studio, prevalentemente nelle aree di conoide sia dai Monti Pisani sia dai rilievi delle Cerbaie. E da porre inoltre l attenzione sul fatto che in CNR (2006), sulla base del rapporto tra il contenuto in SO4 e Cl delle acque sotterranee prelevate ai campi pozzi delle Cerbaie, si ipotizza una miscelazione degli apporti sotterranei provenienti da Est con una limitata risalita di fluidi termali tipo quelli di San Giuliano Terme e Uliveto.

14 14/43 4==>MODELLO NUMERICO DEL FLUSSO In questo rapporto è stato utilizzato un approccio di tipo deterministico per valutare attraverso simulazioni numeriche gli effetti sulle acque sotterranee delle azioni intraprese grazie al Progetto A.S.A.P.. E stato quindi sviluppato un modello numerico del flusso in stato transitorio applicando il codice di calcolo MODFLOW-2000 (Harbaugh et al., 2000). Tale codice è basato su di un approccio alle differenze finite per approssimare le soluzioni delle equazioni alle differenze parziali nelle tre dimensioni che governano il flusso delle acque sotterranee. La soluzione dell equazione del flusso nello stato transitorio, ovvero per il carico idraulico che varia nel tempo. In un mezzo anisotropo, con le componenti dei principali assi di anisotropia disposte lungo gli assi di riferimento cartesiani è data da: La derivazione dell equazione generale per il flusso in un mezzo saturo è presentata in numerosi testi, come ad esempio in Bear e Verruijt (1987), ed è formulata applicando l equazione di conservazione della massa ad un volume rappresentativo dell acquifero situato nel campo di flusso. Le equazioni alle differenze parziali che descrivono il sistema idrogeologico sono di difficile soluzione per mezzo di metodi analitici, conseguentemente si utilizzano metodi numerici. L interfaccia utilizzata per il pre-processing, il processing e il post-processing è GroundWater Vistas v. 6 (ESI, 2006). La fase di implementazione del modello numerico si è svolta secondo le seguenti fasi: definizione del dominio del modello; definizione della geometria del sistema idrogeologico investigato; discretizzazione orizzontale e verticale del dominio di studio; implementazione dei parametri idrodinamici; implementazione delle condizioni al contorno; implementazione delle condizioni iniziali; calibrazione del modello in stato stazionario e transitorio. 4.1==>IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO NUMERICO L implementazione del modello numerico del flusso, insieme alla preparazione dei dati di ingresso ed alla successiva calibrazione, è una delle fasi che più hanno bisogno di tempo per essere portate a termine nell intero processo di modellazione. Una volta preparati tutti i file necessari all implementazione, si sono infatti prodotti una serie di modelli, salvati ciascuno in una propria directory, partendo da una versione semplificata del sistema in studio e incrementando la complessità della rappresentazione con l acquisizione di successivi risultati robusti. I dati utilizzati per l implementazione del modello in stato stazionario sono relativi al 2002, mentre lo stato transitorio s.s. è simulato dal gennaio 2003 fino alla fine di marzo 2008.

15 15/ ==>Il codice alle differenze finite MODFLOW-2000 Il codice MODFLOW (MODular three-dimensional finite-difference ground-water FLOW model) è stato sviluppato a partire dai primi anni ottanta (McDonald & Harbaugh, 1984) all interno del Servizio Geologico degli Stati Uniti (U.S.G.S., United States Geological Survey) ed è stato diffuso per la prima volta nel Si basa su di un approccio alle differenze finite per approssimare le soluzioni delle equazioni alle differenze parziali nelle tre dimensioni che governano il flusso delle acque sotterranee. Tale codice rappresenta il sistema idrogeologico attraverso una griglia di celle in una sequenza di strati (layer) e calcola il carico idraulico attraverso un processo iterativo ai nodi centrati su ogni cella (blockcentered method) della griglia. Ciò comporta che una delle principali fasi del processo di modellazione consista nella definizione della griglia e della spaziatura tra i nodi: più fine sarà la discretizzazione della griglia più accurata sarà la rappresentazione del carico idraulico. Il processo di iterazione termina e la soluzione è raggiunta quando le differenze tra il carico idraulico calcolato tra iterazioni successive sono minori del criterio di convergenza scelto all inizio della simulazione. MODFLOW ha una struttura modulare e svariati moduli (Constant Head, Recharge, General Head package, etc.) sono stati sviluppati negli ultimi 20 anni per migliorare il codice iniziale e per offrire la possibilità di simulare l intero ciclo idrogeologico. Descrizioni dettagliate sulle varie versioni di MODFLOW possono essere trovate nei vari report prodotti dall U.S.G.S. sulla modellazione del flusso e all indirizzo web: ==>Dominio di studio Poiché nella pianura di Bientina i pozzi sono sovente terebrati al limite tra la pianura stessa ed i rilievi delle Cerbaie, è necessario considerare nell implementazione del modello numerico anche il rilievo delle Cerbaie. Inoltre non essendo noti i rapporti tra il sistema delle Cerbaie ed i sistemi contermini ad Est ed a Sud, si è scelto di porre sufficientemente distanti i limiti dalla zona di interesse (prevalentemente pianura di Bientina e margine orientale delle Cerbaie) si che i limiti stessi non vadano a influenzare la soluzione del problema. Sulla base delle considerazioni esposte è stato definito un dominio del modello con geometria rettangolare e lati di dimensione 21.0 x17.5 Km. Il dominio orizzontale è stato inizialmente discretizzato con una griglia a spaziatura regolare e celle di dimensione 100x100 m, suddiviso pertanto in 210 righe 175 colonne (Figura 4.1).

16 16/43 Fig. 4.1: Griglia iniziale costituita da 175 colonne e 210 righe. In nero sono riportate le celle in cui non viene calcolato il carico idraulico (noflow cells); la riga rossa indica la traccia della sezione di Figura 4.2.

17 17/43 La discretizzazione verticale del dominio è stata effettuata rappresentando ciascuna unità idrostratigrafica, definita nel modello concettuale, con un layer. Per mezzo di interpolatori deterministici e stocastici sono state definite le superfici limite di ciascuno layer. I layer rappresentati sono pertanto (Figura 4.2): Fig. 4.2: Sezione attraverso la riga 122; si può osservare l andamento della superficie topografica e la definizione dei layer del modello. layer 1: U1- depositi alluvionali e palustri della parte terminale della pianura di Lucca e di Bientina e del sistema Pescia-Nievole-Fucecchio e del Valdarno inferiore. Ad essa per semplicità sono stati associati anche i depositi del Ciclo di Montecarlo affioranti nella parte Nord del dominio di studio; U2- sui rilievi delle Cerbaie, Unità delle Cerbaie; layer 2: U3- unità costituita dal Conglomerato del Serchio e dall Unità delle Cerbaie; layer 3: U4, depositi del Pleistocene inferiore-pliocene (inferiore?) medio/superiore. Non essendo nota la base dei depositi pliocenici si è scelto di porre arbitrariamente la base di questi depositi, e quindi del modello, alla profondità di -150 m s.l.m. La scelta delle dimensioni delle celle è stata ritenuta soddisfacente per permettere una rappresentazione iniziale del campo di moto della falda sulla base dei dati disponibili. Ulteriori raffinamenti della griglia sono stati successivamente effettuati nell area del campo pozzi delle Cerbaie, dove a causa dei numerosi emungimenti è attesa un elevata variazione del gradiente idraulico. L area ad Ovest del dominio di studio include i rilievi del Monte Pisano; poiché nel dominio di interesse questi sono costituiti da metamorfiti a bassa permeabilità ed essendo di limitato interesse ai fini del presente studio l andamento del campo di moto delle acque sotterranee nelle conoidi alluvionali del Monte Pisano, si è definito un poligono che comprende questa porzione di territorio all interno del quale le celle in esso incluse sono state inattivate (no-flow cells).

18 18/ ==>Parametri idrodinamici e condizioni al contorno Per la simulazione di un modello tridimensionale in stato transitorio oltre ai dati necessari per la ricostruzione della geometria del sistema sono necessari i valori di alcuni parametri idrodinamici. Essi sono: conducibilità idraulica lungo le direzioni Kx, Ky, Kz; coefficiente di immagazzinamento (Ss e/o Sy). Ai fini dell implementazione del modello del flusso in stato stazionario è sufficiente attribuire al modello i valori della conducibilità idraulica ed inserire un set di carichi idraulici misurati come condizioni iniziali. Nel dominio di studio esistono valori dei parametri idrodinamici che interessano le parti produttive del sottosuolo derivanti da prove di portata (Figura 4.3). Fig. 4.3: Distribuzione della conducibilità idraulica nel Layer 1. Considerando tali valori, variabili tra 86.4 m/day e m/day si è tuttavia preferito partire con delle stime iniziali. Infatti è spesso impossibile riferire la stima ad un singolo livello acquifero, quando anche distinguere a quale gruppo di livelli possa riferirsi. Allo stesso tempo, in molti casi stime effettuate per mezzo di prove di campagna possono portare errori importanti. E infatti possibile che i valori della conducibilità idraulica misurati per mezzo di prove diverse sullo stesso sito differiscano anche di un ordine di grandezza (Fetter, 2001). Di conseguenza i valori iniziali sono stati riconsiderati durante il processo di calibrazione del modello al fine di giungere al set di dati più appropriato per l area di studio. Per quanto riguarda i valori assegnati invece alle altre unità ci si è riferiti a stime comunemente riportate in testi di idrogeologia (Spitz & Moreno, 1996; Cerbini-Gorla, 2005; etc.).

19 19/43 A ciascuna delle unità individuate e definite nel modello è stato quindi assegnato un valore di conducibilità idraulica, assunto eguale lungo l asse x e y, e lungo l asse z pari ad 1/10 del valore Kx. Ad individuare le diverse unità precedentemente definite, inizialmente sono state assegnate tre zone a diversa conducibilità idraulica nel layer 1 e una distribuzione omogenea della conducibilità idraulica nei layer 2 e 3. Nella Tabella 1 riportata sono presentati valori di conducibilità idraulica inizialmente assegnati alle varie unità. Ky Kx (m/d Kz Unità (m/d) ) (m/d) Zona U U1 2 U Litologia z1 Depositi superficiali Ciclo di Montecarlo z2 (affiorante) Unità delle Cerbaie z3 (affiorante) Conglomerati del Serchio e U z4 Unità delle Cerbaie U4 z5 Depositi Plio-Pleistocenici Tab. 1: Valori di conducibilità idraulica orizzontale (in m/day) inizialmente assegnati alle zone del modello La definizione dei limiti idrodinamici nel processo di modellazione consiste nell assegnare una particolare assunzione matematica che specifica appropriate condizioni idrauliche a ciascuno di essi. I limiti idrodinamici tra il dominio del modello ed il resto del sistema sono stati assegnati per mezzo di funzioni matematiche che specificano il carico idraulico o il flusso attraverso i limiti del dominio di studio. Per quanto riguarda il dominio in esame, per rappresentare il flusso in entrata dalla pianura di Lucca si è posta una condizione a carico costante al limite NordOvest utilizzando i valori di alcune superfici piezometriche prodotte negli ultimi anni da vari enti. Tale valore è stato fatto variare nel tempo con una scansione trimestrale. Un limite a flusso nullo è stato posto alla base del modello, ovvero alla profondità di 150 m s.l.m. Allo stato attuale infatti implementare l ingresso nel dominio di studio di fluidi da livelli profondi può essere solo un ipotesi di lavoro difficilmente riscontrabile se non con i metodi delle prospezioni geochimiche (cfr. CNR, 2006) e difficilmente definibile in termini quantitativi. Il limite Nord, posto a distanza dall area di interesse del modello, rappresenta le relazioni tra le Cerbaie e il sistema Pescia-Nievole-Fucecchio. Poiché ad oggi esse non sono note agli scriventi, si è posto un carico costante non variabile nel tempo pari a 5 m a rappresentare tale limite. Il limite è stato simulato utilizzando il Constant Head package. La sua influenza sulla soluzione del modello è stata successivamente verificata nell analisi di sensibilità ed è stata giudicata trascurabile.

20 20/43 Allo stesso modo non sono note ad oggi le relazioni tra le Cerbaie ed il sistema del Valdarno inferiore. Per tale motivo anche questo limite è stato posto a distanza dall area di interesse ed è stato rappresentato con un limite a flusso nullo. Questo in ragione del fatto che il Valdarno ha un andamento pressoché parallelo alla valle di Bientina, che il Fiume Arno ne rappresenta l asse idrografico principale e che quindi il limite dovrebbe essere pressoché parallelo ad una linea di flusso. Limite a flusso nullo è stato inoltre posto sul bordo meridionale del dominio di studio. Per quanto riguarda il limite definito dai rilievi del Monte Pisano, dal quale si ha ricarica del sistema idrogeologico, si è simulato un ingresso di acqua attraverso i circa 20 Km di tale limite pari a circa m3/d pari a circa m3/anno. Il limite è stato simulato utilizzando il Well Package. Il limite Nord non occupato dal Monte Pisano è stato posto a flusso nullo in quanto generalmente corrispondente con una linea di flusso della superficie piezometrica della pianura di Lucca. Altro termini di alimentazione del sistema è costituito dalle precipitazioni. Per introdurre questo termine di alimentazione nel modello si sono reperiti i dati di precipitazione di una serie di stazioni pluviometriche situate nel dominio di studio ed in aree contermini e si sono analizzate le medie pluviometriche mensili ed annuali. Si sono quindi scelte due principali stazioni di riferimento: la stazione di Orentano e la stazione di San Giovanni alla Vena (Figura 4.4). 350 P (cumulata mensile in mm) Orentano San Giovanni alla Vena dic-08 giu-08 dic-07 giu-07 dic-06 giu-06 dic-05 giu-05 dic-04 giu-04 dic-03 giu-03 dic-02 0 Fig. 4.4: Grafico della distribuzione delle precipitazioni cumulate mensili alle stazioni di Orentano e San Giovanni alla Vena. Si è quindi diviso il dominio di studio in due diverse aree di influenza:quella a Nord legata alla stazione di Orentano e a Sud alla stazione di San Giovanni alla Vena. Di ogni cumulata mensile per ciascuna delle due stazioni si è calcolato il 20% ed il 5% e questi valori sono stati attribuiti rispettivamente alle zone più permeabili e meno permeabili del layer 1 per mezzo del Recharge Package. Tali valori sono quindi stati oggetto di calibrazione. Influenza importante sul sistema in analisi è esercitata dai prelievi industriali (prevalentemente a Nord del dominio di studio) ed idropotabili (distribuiti su tutto il dominio). E' stata implementata una tabella temporale dei prelievi operati da ciascun pozzo idropotabile per ciascun mese a partire da dicembre 2002 fino a

21 21/43 marzo Si deve comunque sottolineare che alcuni dei prelievi attribuiti ai pozzi sono stati stimati per cui in fase di calibrazione alcuni dati sono stati corretti. Per quanto riguarda invece la distribuzione dei prelievi industriali non sono a disposizione dati con cadenza temporale mensile, ma solo le dichiarazioni riportate in calce alle concessioni. Per cui gli emungimenti legati a tali attività sono stati distribuiti omogeneamente nel tempo, ponendoli a zero nel mese di Agosto di tutti gli anni simulati. 4.2==>LA VALIDAZIONE DI UN MODELLO NUMERICO La validazione del modello, che consiste nelle fasi di analisi di sensibilità, calibrazione e verifica, è richiesta per superare la mancanza di dati o l incertezza insita nei dati stessi ed allo stesso tempo per accomodare le semplificazioni del sistema naturale incorporate nel modello. Infatti la validazione fallisce o porta a risultati inadeguati se aspetti significativi del sistema naturale non sono inclusi nel modello. Scopo della validazione è quindi quello di dimostrare che il modello è capace di riprodurre il sistema idrogeologico e quindi la sua applicabilità a fini predittivi. Nella fase di calibrazione di un modello i valori simulati (altezze piezometriche, portate, concentrazioni) vengono confrontati con i valori realmente osservati. I dati in ingresso vengono modificati, all interno del campo di variazione osservato, fino a quando i valori calcolati non coincidono con quelli osservati con una certa tolleranza predefinita. La modifica dei dati in ingresso è un processo ragionevole, in quanto questi, essendo dati sperimentali, presentano un intrinseco livello di incertezza e di variabilità. Questo processo può essere effettuato sia manualmente (trial and error adjustment) o automaticamente (per mezzo di modelli inversi per la stima dei parametri). La calibrazione di un modello è un momento cruciale dell intero processo di modellazione, provando a dimostrare che il modello implementato è capace di riprodurre le risposte osservate nel sistema naturale. La fase di calibrazione può richiedere fino alla metà del tempo necessaria per l effettuazione dell intero studio. La validazione del modello è raggiunta quando i diversi scenari del flusso sono riprodotti dal modello senza variare le caratteristiche fondamentali del modello (parametri idrodinamici, principali aree di ricarica, etc.). La validazione del modello dovrebbe essere condotta con le investigazioni di campagna in corso, così da ottenere ulteriori dati richiesti per la modellazione. Se utilizzato come strumento di pianificazione, un modello dovrebbe essere aggiornato e migliorato implementandolo con i dati che si rendono disponibili nel tempo. Lo scopo dell analisi di sensibilità è quello di dimostrare la risposta del modello alle variazioni determinate dall incertezza dei parametri e di conseguenza definire il livello di incertezza insito nelle capacità predittive del modello. L analisi di sensibilità è un passo necessario per lo svolgimento della fase di calibrazione in quanto permette di valutare l importanza dei dati di ingresso in termini di influenza sulle predizioni del modello e può inoltre dimostrare la non unicità di tali dati per arrivare alla soluzione del modello. L analisi di sensibilità (sensitivity analysis), la calibrazione e la verifica del modello sono state effettuate per valutare le incertezze implicite nei dati di ingresso, per raggiungere una corrispondenza soddisfacente tra i dati simulati e quelli osservati e per dimostrare che il modello calibrato costituisce una rappresentazione adeguata del sistema fisico ==>Obiettivi della calibrazione e data set utilizzato I risultati della calibrazione possono essere valutabili sia qualitativamente sia quantitativamente. Tuttavia, anche in una valutazione quantitativa, il giudizio sulla

22 22/43 adeguatezza della calibrazione è un giudizio soggettivo (Andersonn & Woessner, 1992). Qualitativamente si può giudicare il livello di calibrazione di un modello del flusso comparando l andamento della superficie piezometrica derivante dall interpolazione di misure effettuate in campagna con la piezometrica simulata. Si deve comunque ricordare che nel processo di interpolazione si introduce un errore e quindi effettuando tale analisi si compara il risultato della simulazione, in cui ad ogni cella è calcolato un valore del carico, con un dato stimato sull intero dominio. In ogni caso, l osservazione della coincidenza dell andamento delle linee di flusso simulate con quelle stimate offre già indicazioni sulla rispondenza del campo di moto simulato al sistema reale. Quantitativamente invece si possono usare una serie di statistici descrittivi che utilizzano l errore associato ad ogni punto di osservazione (punto di misura della piezometrica). Questo errore è definito residuo ed è calcolato sottraendo al valore simulato del carico in un punto il valore osservato. Residui negativi indicano che il modello sovrastima il carico, valori positivi indicano che il valore osservato è sottostimato. Gli statistici utilizzati in questo studio per valutare la calibrazione del modello sono: RSS, Residual Standard Devation; ARM, Absolute Residual Mean; NRMS, Normalized Root Mean Square. Il modello implementato in stato stazionario così come descritto nel presente Capitolo è stato fatto girare in stato stazionario per l effettuazione dell analisi di sensibilità e per iniziare il processo di calibrazione utilizzando il dataset relativo alla piezometrica rilevata nel dominio delle Cerbaie nell Ottobre La calibrazione in stato stazionario si è raggiunta sia per la corrispondenza qualitativa tra l andamento del campo di moto stimato e quello simulato, sia per RSS minore di 2, per ARM minore di 1.5 m e NRMS minore del 10%. Per quanto riguarda lo stato transitorio, i dataset utilizzati consistono nei rilevamenti del carico idraulico in continuo ai piezometri dell Autorità di Bacino dell Arno e in alcune campagne piezometriche eseguite negli anni tra il 2002 ed il 2008 nel dominio della pianura di Bientina. Si deve invece rilevare come nel dominio delle Cerbaie i dati siano assenti (se si escludono le risultanze della campagna piezometrica dell Ottobre 2002) per cui non è possibile calibrare tale dominio. Per la rilevante mole di dati variabili nel tempo (carichi costanti, precipitazioni, emungimenti) si è ritenuto ragionevole assumere una soglia di accettabilità della calibrazione meno rigida per lo stato transitorio. In particolare si è ritenuta conseguita la calibrazione, oltre che al raggiungimento della corrispondenza qualitativa tra l andamento del campo di moto stimato e quello simulato, per ARM minore di 2.5 m e NRMS circa 10%, e allorquando il piezometro 825 nell area del campo pozzi delle Cerbaie presentasse un range di variazione del carico idraulico simulato inferiore ad 2 m. Il valore del criterio di convergenza necessario a terminare il processo iterativo è stato posto a m ==>Analisi di sensibilità L analisi di sensibilità è il processo per mezzo del quale i parametri del modello o le condizioni al contorno vengono variati al fine di osservare l effetto di questa variazione sulla soluzione del modello e quindi sugli statistici di calibrazione. Grazie a tale processo è perciò possibile riconoscere i parametri è maggiormente sensibili e quindi da variare per raggiungere la calibrazione. In questo studio l analisi di sensibilità è stata condotta sia effettuando una serie

23 23/43 Sum of Squared Residuals di simulazioni variando ad ogni volta un singolo parametro sia per mezzo dell utilizzo di procedure automatiche. In particolare è stata stimata manualmente l influenza sul modello delle condizioni a carico costante e delle portate dei pozzi che simulano gli afflussi sotterranei dal Monte Pisano. Per quanto riguarda il carico costante, solo il carico posto a rappresentare il limite Nord-Ovest presenta una certa influenza sul sistema ed in particolare nella zona di Paganico, mentre il carico imposto a simulare i rapporti tra Cerbaie e sistema Pescia-NievoleFucecchio è relativamente insensibile. La procedura automatica è stata invece utilizzata per studiare la sensibilità della conducibilità idraulica nelle zone del layer 1 unitamente ai valori della ricarica e nelle varie zone del layer 2. Le Figure 4.5 e 4.6 riportano i risultati di tale analisi. Lo statistico utilizzato per valutare la sensibilità del parametro è lo RSS, Residual Sum of Squares e permette di comparare i risultati di diverse simulazioni. La lettura di questo parametro, di cui vogliamo il minimo valore, ci dice ad es., nel caso della Figura 4.6 che moltiplicando il valore del parametro Kx della zona 5 per il valore 0.5 otteniamo una diminuzione di RSS da 687 a 264. Nel caso in esame il parametro Kx è proprio quello più sensibile. I risultati dell analisi di sensibilità sono stati utilizzati per condurre il processo di calibrazione Kx Kx Kx Recharge1 895 Recharge2 771 Recharge3 Recharge Multiplier Fig. 4.5: Risultati dell analisi di sensibilità effettuata sui valori della conducibilità idraulica delle zone del layer 1 e della ricarica.

24 Sum of Squared Residuals 24/ Kx Kx Kx Kx8 898 Kx9 792 Kx1 Kz5 687 Kz6 581 Kz7 475 Kz8 370 Kz Multiplier Fig. 4.6: Risultati dell analisi di sensibilità effettuata sui valori della conducibilità idraulica delle zone dei layer 2 e ==>CALIBRAZIONE DEL MODELLO La calibrazione del modello consiste nel variare ben definiti parametri in ingresso, di cui non è noto alcun valore misurato o con un certo grado di incertezza, entro limiti ragionevoli, per raggiungere risultati calcolati concordanti con i valori misurati. Nell implementazione di un modello del flusso e del trasporto costituisce una delle fasi cruciali ai fini dell applicabilità del modello stesso. Infatti, la qualità della calibrazione ha una grande influenza sulla robustezza di ogni conclusione e determina l affidabilità delle raccomandazioni suggerite utilizzando i risultati delle simulazioni ==>Metodologia La calibrazione del modello del flusso in stato stazionario è stata raggiunta utilizzando sia un approccio di tipo trial & error sia in automatico per mezzo di un modello inverso. Il processo di calibrazione è cominciato variando i parametri più incerti entro un campo di variazione consistente con le ipotesi idrogeologiche iniziali. In questo senso l analisi di sensibilità ha costituito nel caso di studio un importante punto di partenza nel processo di calibrazione. I carichi idraulici calcolati possono essere comparati con quelli misurati in un grafico della dispersione dei valori calcolati verso quelli osservati. Le differenze tra questi valori sono state calcolate in 54 punti relativi a misure effettuate nella campagna dell Ottobre I risultati ottenuti sono mostrati nella Figura 4.7.

25 25/43 Fig. 4.7: Grafico della dispersione dei valori calcolati verso i valori osservati relativo al modello calibrato in stato stazionario. La retta a 45 gradi rappresenta lo scenario di calibrazione perfetta, il caso in cui tutti i carichi calcolati coincidono con quelli misurati. Ovviamente un tale risultato non è comunemente raggiungibile. Nel caso in cui i carichi calcolati cadano al di sopra della linea descritta dall equazione y=x, essi sono maggiori dei valori osservati. Conseguentemente i residui di calibrazione, definiti come la differenza tra i valori calcolati e quelli misurati, sono positivi ed il modello sovrastima la situazione reale. Di contro, i punti che cadono al di sotto della linea di 45 gradi indicano che il modello sottostima la situazione reale. La calibrazione del modello in stato stazionario si è fermata allorquando il campo di moto simulato ha riprodotto il campo di moto rappresentato dalle contour delle misure dell Ottobre 2002 e quando i valori degli statistici osservati hanno raggiunto i valori sotto riportati: RSD=1.65 ARM=1.28 m NRMS=0.092 Max R=-3.9 m MIN R=3.44 m In Figura 4.8 è riportato l andamento della superficie piezometrica simulata.

26 26/43 Fig. 4.8: Andamento del campo di moto simulato relativo al modello calibrato in stato stazionario Si può osservare come il modello riproduca le depressioni esistenti al campo pozzi idropotabile delle Cerbaie e del Pollino-area industriale. Subito a Sud di questa zona si rileva la presenza del già noto spartiacque sotterraneo artificiale che divide il deflusso verso la pianura di Lucca da quello verso la pianura di Bientina. Nel modello la parte orientale delle Cerbaie viene a costituire un alto piezometrico da cui viene ricaricato gran parte del dominio: è chiaro che questa osservazione è un ipotesi che dovrà essere verificata. Questo in quanto come già detto la zona delle Cerbaie è calibrata solo nell intorno della valle del Rio Ponticelli a causa della mancanza di dati piezometrici rilevati. L unica parte meno realistica del dominio è costituita dal sink che si realizza a Sud-Est in corrispondenza delle Colline Pisane, area, come già detto, rispetto alla quale o si ha ricarica del sistema oppure non si ha alcuna influenza. Anche questo aspetto dovrà essere verificato ottenendo nuovi dati. Ai fini di questa valutazione comunque, l esistenza della depressione del campo pozzi delle Cerbaie, crea uno spartiacque sotterraneo all estremità meridionale delle Cerbaie, per cui, nel campo di variazione dei volumi emunti da Acque Spa questo limite non inficia il risultato del modello.

27 27/43 Per giungere alla calibrazione, come anche indicato dall analisi di sensibilità, si sono aggiunte ulteriori zone di conducibilità idraulica diversa e si sono variati i valori della conducibilità idraulica anche nelle zone già esistenti nei tre layer. I valori della conducibilità idraulica nelle zone individuate sono presentati nella Tabella 2, mentre le Figure presentano la distribuzione delle varie zone nel dominio di studio nei tre layer. Inoltre per ovviare alla presenza dei forti gradienti idraulici presenti nell intorno dei pozzi si sono raffinate le celle nel campo pozzi del Pollino e delle Cerbaie, sino ad ottenere una maglia di discretizzazione orizzontale pari a 25x25 m. Fig. 4.10: B) Fig. 4.9: A) Fig. 4.11: C)

28 28/43 Unità Kx (m/d) Ky (m/d) Kz (m/d) Zona Litologia Depositi superficiali U z1 pianura di Lucca Sud Ciclo di Montecarlo U z2 (affiorante) Unità delle Cerbaie U z3 (affiorante) Depositi alluvionali Valdarno inferiore e U1 U3 del sistema Pescia z4 Nievole-Fucecchio Depositi Plio z5 Pleistocenici Sud Conglomerati del U2 Serchio e Unità delle z6 U2 Serchio e Unità delle z7 U2 U3 Cerbaie - Cerbaie Conglomerati del Cerbaie - Lucca Sud Conglomerati del Serchio e Unità delle z8 Cerbaie - Bientina Depositi Plio z9 Pleistocenici Nord Depositi argilloso U1 torbosi pianura di z10 Bientina Tab. 2: Valori di conducibilità idraulica orizzontale (in m/day) assegnati alle zone del modello calibrato in stato stazionario

29 29/43 Poiché le misure dell errore presentate indicano l errore medio nella calibrazione, ma non forniscono alcuna informazione sulla distribuzione dell errore, in Figura 4.12 si presenta anche la mappa dell andamento dei residui nel dominio di studio, si da poter valutare dove siano localizzate le aree che meno riflettono l andamento del sistema naturale. Fig. 4.12: Distribuzione dei residui nel modello calibrato in stato stazionario

30 30/43 4.4==>IL MODELLO IN STATO TRANSITORIO Una volta calibrato il modello in stato stazionario, sono stati implementati nel modello tutti i dataset che presentavano una qualche variazione temporale, come descritto nel Capitolo Il codice alle differenze finite MODFLOW-2000, e sono stati assegnati valori omogenei del coefficiente di immagazzinamento a ciascun layer (in particolare Sy al layer 1 ed Ss al layer 2 e3). La discretizzazione temporale ha previsto la definizione di uno stress period mensile, per il periodo Dicembre 2002-Marzo 2008, suddiviso in 10 time step, ovvero passi temporali ai quali è possibile salvare la soluzione. Anche la calibrazione del modello in transitorio è stata eseguita sia in automatico sia con una procedura trial and error. Il modello in stato transitorio è stato calibrato effettuando lievi variazioni dei parametri della conducibilità idraulica; i risultati finali della distribuzione dei nuovi parametri idrodinamici ottenuti sono riportati in Tabella 3. Unità Kx (m/d) Ky (m/d) Kz (m/d) Zona U z2 U z3 U z4 U z5 U z6 Litologia Ciclo di Montecarlo (affiorante) Unità delle Cerbaie (affiorante) Depositi alluvionali Valdarno inferiore e del sistema Pescia-NievoleFucecchio Depositi Plio-Pleistocenici Sud Conglomerati del Serchio e Unità delle Cerbaie Cerbaie Conglomerati del Serchio U z7 e Unità delle Cerbaie Lucca Sud Conglomerati del Serchio U z8 U z9 U z10 U z11 e Unità delle Cerbaie Bientina Depositi Plio-Pleistocenici Nord Depositi superficiali pianura di Lucca Sud Depositi argilloso torbosi pianura di Bientina Tab. 3: Valori di conducibilità idraulica orizzontale (in m/day) assegnati alle zone del modello calibrato in stato transitorio Gli statistici raggiunti per la calibrazione, come precedentemente descritto, sono:

31 31/43 ARM<2.5 m NRMS max=0.108 Variazione di H<2 m in 825 Piezometriainms.l.m. La variazione nel tempo del carico idraulico simulato è stata confrontata con quella del carico osservato al piezometro 825, come riportato in Figura _Sim _OBS dic-m ar-0 -g 3 01 iu-0 -se 3 01 t dic-m ar-0 -g 4 01 iu-0 -se 4 01 t dic-m ar-0 -g 5 01 iu-0 -se 5 01 t dic-m ar-0 -g 6 01 iu-0 -se 6 01 t dic-m ar-0 -g 7 01 iu-0 -se 7 01 t dic-m ar-0 -g 8 01 iu-0 -se 8 01 t-0 -d 8 ic Fig. 4.13: Grafico dell andamento nel tempo del carico idraulico simulato verso quello osservato nel modello in stato transitorio Nonostante gli statistici confermino la calibrazione secondo i criteri definiti, è possibile comunque affermare che l andamento del carico simulato prescrive quello osservato solo a partire dal Dicembre Per tale motivo la calibrazione del transitorio è accettabile, ma non completamente soddisfacente se si volessero effettuare analisi tra i dati simulati e quelli osservati. E necessaria perciò una ulteriore calibrazione del modello che tenda e a rimuovere gli errori presenti nel risultato della simulazione.

32 32/43 L andamento del campo di moto al tempo t=2192 giorni, ovvero al 31 Dicembre 2008 (Figura 4.14), è comparabile qualitativamente con quello identificato dalle campagne piezometriche effettuate nella pianura di Bientina. Fig. 4.14: Andamento del campo di moto simulato relativo al modello calibrato in stato transitorio al tempo t=2192 (31 Dicembre 2008) Dall analisi delle superfici piezometriche ai vari intervalli temporali si osservano invece variazioni come lo spostamento dell alto piezometrico dalle Cerbaie al sistema Pescia-Nievole-Fucecchio e la riduzione e quasi annullamento dello spartiacque sotterraneo tra il Pollino e la media valle di Bientina. Tale fenomeno sembra essere legato agli apporti dal Monte Pisano. Permane il problema costituito dal sink al limite Sud-Ovest del modello. Inoltre si osservano variazioni dei residui statisticamente distribuite in coincidenza dei prelievi. Quest ultimo fatto può indicare una variabilità delle portate emunte assegnate nei vari passi di tempo. Ciò è evidente soprattutto per i pozzi dell area industriale per i quali si ha a disposizione il dataset più incerto. Un ulteriore problema emerso durante la calibrazione, collegato alla presenza di