Marco Doveri et al. - Istituto di Geoscienze e Georisorse-CNR

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1 La collaborazione scientifica IGG (CNR) - AIT: sviluppo e applicazione di modelli numerici su sistemi acquiferi, per la gestione sostenibile della risorsa idropotabile in previste condizioni meteo-climatiche T ( C) Temperatura media annua in media P (mm) Piogge annue - 15% in media Marco Doveri et al. - Istituto di Geoscienze e Georisorse-CNR n di giorni % in media N Giorni Piovosi/anno Portata (L/s) gen-03 gen-04 Portate Sorgive giornaliere gen-05 gen-06 gen-07 gen-08 gen-09 gen-10 gen-11 gen-12 gen-13 gen-14-8% in media gen-15 gen-16

2 IL RUOLO STRATEGICO DELLE ACQUE SOTTERRANEE A scala globale il prelievo di acqua dai sistemi acquiferi copre circa il 40% (1000 km 3 /anno) dell approvvigionamento idrico totale Negli ultimi 50 anni l utilizzo delle acque sotterranee è pressoché triplicato e continua a crescere con tasso dell 1-2% annuo

3 IL RUOLO STRATEGICO DELLE ACQUE SOTTERRANEE IDROPOTABILE Alcune percentuali di popolazione approvvigionata con ACQUE SOTTERRANEE in EUROPA In media, le acque sotterranee soddisfano il fabbisogno idrico del 70% della popolazione nei Dati da: Martìnez Navarrete et al., 2008 vari paesi europei

4 L APPROVVIGIONAMENTO IDROPOTABILE IN TOSCANA (dati AIT al 2014) ACQUE SUPERFICIALI 140 captazioni ACQUE SOTTERRANEE 5000 captazioni

5 per l incremento di popolazione previsto a scala mondiale per i cambiamenti climatici

6 .negli ultimi anni si è avuto un significativo incremento delle attenzioni verso le risorse idriche sotterranee.. GRACE (dal 2002) GRACE-FO (lancio programmato per il 2017) applicazione Variazione campo di gravità Variazione volume idrico in acquifero

7 .negli ultimi anni si è avuto un significativo incremento delle attenzioni verso le risorse idriche sotterranee.. Schema interazione clima-acque sotterranee (Taylor et al. 2012)

8 .negli ultimi anni si è avuto un significativo incremento delle attenzioni verso le risorse idriche sotterranee.. Previsioni sui quantitativi UNESCO, 2012 acque sotterranee sono sviluppate secondo diversi approcci e scale, sia spaziali che temporali, in funzione di possibili scenari climatici a loro volta modellizzati..

9 Obiettivo principale del progetto promosso dall A.I.T. Realizzazione di un sistema di monitoraggio preventivo dello stato quantitativo delle risorse idriche destinate all uso idropotabile...allo scopo di attuare in maniera preventiva le necessarie azioni di mitigazione degli effetti legati a situazioni di siccità

10 Il progetto promosso dall A.I.T. 2 punti fondamentali Monitoraggio e previsioni idrometeorologiche di breve termine e stagionali Definizione e previsione della risposta nel tempo degli acquiferi principali da cui si effettuano i prelievi idropotabili Il gruppo di lavoro IGG si occuperà del secondo punto, sviluppando e applicando modelli numerici su sistemi acquiferi (in questa fase in 2 contesti idrogeologici) Simone Da Prato, Marco Doveri, Alessandro Ellero, Giulio Masetti, Matia Menichini, Antonello Provenzale, Brunella Raco, Gianna Vivaldo, Andrea Scozzari (ISTI-CNR)

11 Possibilità di affrontare la tematica grazie a: - conoscenze di base acquisite in passato sul territorio, spesso in collaborazione con Regione Toscana, LaMMA, AATO (A.I.T.), Gestori Idrici,.. caratterizzazione CIS (2005-oggi) esempi Zone di Protezione di alcune principali captazioni di acqua potabile in Toscana ( )

12 Possibilità di affrontare la tematica grazie a: - conoscenze di base acquisite in passato sul territorio, spesso in collaborazione con Regione Toscana, LaMMA, AATO (A.I.T.), Gestori Idrici,.. Banca Dati «Corpi Idrici Sotterranei»

13 Possibilità di affrontare la tematica grazie a: - conoscenze acquisite nell ambito di varie ricerche

14 Possibilità di affrontare la tematica grazie a: - dati della rete di monitoraggio piezometrico e dati prodotti dai Gestori Idrici RETE MONITORAGGIO PIEZOMETRICO RT (circa 130 punti; periodi di monitoraggio in genere > 5 anni)

15 Progetto AIT: Aree/Acquiferi in esame Sistema carbonatico delle Alpi Apuane (zona Massa-Carrara) Sistema del Valdarno inferiore (zona Empoli)

16 Menichini, Doveri et al., 2016-con modifiche Doveri et al., con modifiche «Marmi+Grezzoni» (carb. metamorf.) Principale Sistema Acquifero Circolazione idrica regolata principalmente dal carsismo (+ «impedimenti strutturali»)

17 Regime carsico delle sorgenti Precipitazioni e portate sorgive Doveri et al., 2017 Precipitazioni e contenuti isotopici nelle acque sorgive Doveri et al., 2017 Elevato Indice di Variabilità e Significativo Tasso di Rinnovamento (forte dipendenza dal regime delle precipitazioni)

18 Le captazioni a cui è rivolto il lavoro Sorgenti del Cartaro Q media 300 L/s Sorgenti di Torano Q media 250 L/s DATI/INFORMAZIONI A DISPOSIZIONE Sorgg. Torano Doveri, 2004 Sorgg. Cartaro Aree di alimentazione delle sorgenti

19 Le captazioni a cui è rivolto il lavoro Sorgenti del Cartaro Q media 300 L/s Sorgenti di Torano Q media 250 L/s DATI/INFORMAZIONI A DISPOSIZIONE Sorgg. Torano Sorgg. Cartaro Valori di Q giornalieri

20 Sorgg. Torano Le captazioni a cui è rivolto il lavoro Sorgenti del Cartaro Q media 300 L/s Sorgenti di Torano Q media 250 L/s DATI/INFORMAZIONI A DISPOSIZIONE Sorgg. Cartaro Dati idro-meteorologici (P, T, [Ie]) sulle aree di alimentazione

21 Sviluppo e applicazione di modelli empirici sorgenti apuane 1 Approccio matematico-statistico e Data-Driven per la definizione delle relazioni empiriche che legano i valori dei parametri idro-meteorologici (P, T, [Ie]) alle portate sorgive (Q). 2 Modelli che approssimano l evoluzione delle Q nei periodi di recessione dell acquifero (i.e. studio e riproduzione delle curve di esaurimento delle sorgenti periodi lunghi con assenza di precipitazioni significative)

22 Sviluppo e applicazione di modelli empirici sorgenti apuane 1 Definizione delle relazioni empiriche che legano i valori dei parametri idro-meteorologici (P, T, [Ie]) alle portate sorgive (Q) Studio serie temporali-dati storici: - analisi dei cicli significativi di Q a breve termine, medio termine e lungo termine - analisi dei cicli sui dati P-T- (Ie), individuazione/caratterizzazione eventi estremi Modelli di regressione fra la variabile dipendente (Q) e le variabili indipendenti (P-T- [Ie] ) Q= f(p, T, Ie) Modelli Data-Driven (utilizzo tecniche di «Machine Learning»)

23 Sviluppo e applicazione di modelli empirici sorgenti apuane 2 Modelli sulle curve di esaurimento delle sorgenti Q 0 Esempio di modello esponenziale Q t = Q 0 e -αt restituzione acqua immagazzinata in acquifero α Studio delle n curve di esaurimento (dati storici) e delle relazioni tra condizioni iniziali-esaurimento e valori del coefficiente di esaurimento α

24 Sistema acquifero Valdarno Inferiore zona Empoli

25 Sistema acquifero Valdarno Inferiore zona Empoli m s.l.m.

26 Sistema acquifero Valdarno Inferiore zona Empoli Da Prato, Doveri et al., 2012

27 Sistema acquifero Valdarno Inferiore zona Empoli principali entrate alimentazione F. Arno alimentazione settori collinari da da infiltrazione locale principali uscite emungimenti (idropotabili e non)

28 Sistema acquifero Valdarno Inferiore zona Empoli Sviluppo e applicazione Modello Fisicamente Basato movimento 3D acqua sotterranea a densità costante in mezzo poroso Harbaugh, 2005 K cond. idraulica; S s coef. immagaz. specifico; h «livello piezometrico»; W ingressi/uscite (ricarica, emungimenti,...) La soluzione di h (x, y, z, t) verrà approssimata con il metodo delle equazioni a differenze finite Codice di calcolo

29 Sistema acquifero Valdarno Inferiore zona Empoli Sviluppo e applicazione Modello Fisicamente Basato Dati e informazioni x modello Stratigrafie, parametri idraulici, piezometria e livelli piezometrici su profilo e punti di monitoraggio in continuo, meccanismi di alimentazione, dati idrometeorologici, emungimenti, PROFILI PIEZOMETRICI NEL TEMPO

30 SISTEMA ACQUIFERO CARBONATICO APUANE NW: SORGENTI "GRUPPO TORANO" E CARTARO BREVE DESCRIZIONE DELLE ATTIVITA' A1-raccolta dati (portate sorgive; parametri meteo-climatici registrati + elaborazioni eseguite dal Consorzio Lamma) A2-studio di tecniche data-driven per l individuazione di relazioni tra dati idroclimatici e portate sorgentizie + analisi delle serie temporali storiche con tecniche statistiche mono e multivariate, includendo il ricorso a trasformazioni di dominio e tecniche di analisi spettrale A3-sviluppo ed applicazione di modelli data-driven alle serie meteo-climatiche CRONOPROGRAMMA PRIMO ANNO SECONDO ANNO TERZO ANNO A4-modelli di curve di esaurimento delle sorgenti A5- scenari portate sorgive con modelli sviluppati, a fronte di previsioni meteoclimatiche + revisione/affinamento dei modelli stessi B1-raccolta dati (livelli piezometrici, portate di emungimento ecc.; parametri meteo-climatici registrati + elaborazioni eseguite dal Consorzio Lamma) ACQUIFERO MULTISTRATO ZONA EMPOLI B2-sviluppo e calibrazione del modello numerico di flusso dell'acquifero ALTRI ACQUIFERI TOSCANI B3- scenari risposta quantitativa acquifero con modello numerico calibrato, a fronte di previsioni meteo-climatiche + revisione/affinamento del modello stesso C1-analisi rete captazioni idropotabili e relativi contesti idrogeologici+indirizzi per allestire/integrare la rete di monitoraggio quantitativo della risorsa R1 R2 R3 R4

31 Grazie per l attenzione