VALUTAZIONE RISORSE IDRICHE SOTTERRANEE. Risorsa strategica per usi plurimi (civile, industriale, agricolo ed energetico) in situazioni di criticità idrica A. Cavallin CNR-IDPA, Istituto per la Dinamica dei Processi Ambientali Dipartimento di Scienze dell Ambiente e del Territorio, Università degli Studi di Milano Bicocca angelo.cavallin@unimib.it Parole chiave: risorse idriche sotterranee, ricostruzioni tessiturali 3D, banche dati, modelli ACQUA, ENERGIA E INDUSTRIA Le acque non solo sono una necessità per le attività, la vita e il benessere dell uomo ma rappresentano anche una opportunità per lo sviluppo sostenibile nelle utilizzazioni in agricoltura, nell industria, nella produzione di energia e per gli aspetti ricreativi legati alla presenza dell acqua. Nelle attività industriali la richiesta idrica varia notevolmente in relazione al settore considerato: quelli più idroesigenti sono il petrolchimico, il metallurgico, il tessile e l'alimentare. Di notevole interesse in alcuni settori industriali, quali l agro-alimentare e il tecnologico avanzato, è anche la qualità dell acqua impiegata che deve rispondere a rigorosi standards di purezza. Il fabbisogno idrico dell'industria italiana è diminuito negli ultimi anni, a causa della progressiva riduzione delle attività manifatturiere, a vantaggio della fornitura di servizi, dell'aumento della produttività industriale, dell'automazione sempre più spinta dei processi produttivi e dell'introduzione di nuove tecnologie a basso consumo d'acqua. L'impiego dell'acqua per usi energetici può essere sia diretto (immissione nelle condotte forzate delle centrali idroelettriche per caduta da invasi o per flusso) sia indiretto (trasformazione in vapore nelle centrali termoelettriche dove l'acqua viene anche impiegata per il raffreddamento degli impianti). La produzione idroelettrica non comporta consumi idrici o degrado delle caratteristiche di qualità, dato che l'acqua viene restituita tal quale al corpo idrico dopo il suo utilizzo, a differenza delle alterazioni termiche e quantitative inerenti l uso negli impianti termoelettrici. Questo tipo di uso risulta, tuttavia, spesso in conflitto con gli altri usi della risorsa e con le esigenze di conservazione delle caratteristiche naturali dei corpi idrici e dei loro habitat/ecosistemi (Deflusso minimo Vitale) (Regione Lombardia, 2006). Le acque sotterranee per le loro caratteristiche termiche naturali possono anche essere utilizzate per il riscaldamento e/o raffreddamento di edifici mediante l uso di pompe di calore (geotermia a bassa entalpia). CRITICITA IDRICHE Il ciclo dell acqua, sistema complesso caratterizzato da una distribuzione delle precipitazioni con variabilità spaziale, temporale e di quantità (intensità e frequenza), controlla la disponibilità delle risorse idriche. Il loro utilizzo ne è quindi condizionato per cui, se le risorse non sono sufficienti, si vengono a creare situazioni di criticità, quali quelle verificatesi in pianura padana nell estate del 2003 e di emergenza nella primavera del 2007. Tali particolari situazioni erano dovute non solo alle ridotte precipitazioni, ma anche alla loro distribuzione spazio temporale. Negli ultimi anni si sono riscontrati aumenti di temperatura (Maugeri, 2008), che comportano una maggiore necessità di risorse idriche non solo per le produzioni agricole ma anche per la maggior richiesta di energia elettrica legata a un sempre più diffuso utilizzo dei condizionatori. Nel contempo si sono osservate variazioni delle precipitazione nella Pianura padana con piogge di maggiore intensità ma con minore frequenza soprattutto nel periodo invernale primaverile (Tibaldi, 2007).
Per soddisfare gli usi plurimi delle acque soprattutto nelle aree con elevato utilizzo ai fini industriali, agricoli energetici e ludici è quindi necessario sviluppare un sistema integrato per una razionale gestione delle risorse idriche, basato su una approfondita conoscenza del ciclo dell acqua e delle sue variazioni spazio temporali, ed in particolare delle acque sotterranee (Figura 1). Si deve quindi prevedere in particolare una adeguata conoscenza della disponibilità delle risorse idriche sotterranee (IRSA-CNR, 1999), che nelle aree di pianura costituiscono un serbatoio naturale strategico, da utilizzare in situazioni di temporanea criticità, per far fronte alle necessità soprattutto nelle aree con elevata densità di attività produttive idroesigenti quali la pianura padana. E necessario inoltre programmare gli interventi in maniera strategica e coordinata e quindi con la partecipazione dei vari soggetti interessati dal livello nazionale a quello locale, in accordo con la Direttiva Comunitaria 2000/60/CE, al fine di raggiungere l obiettivo della sostenibilità ambientale nell utilizzo delle risorse idriche, anche tenendo conto delle variazioni della disponibilità della risorsa, legata ai cambiamenti climatici a scala globale (Unesco, 2007; Zektser et al., 2004). La Commissione Europea, nella Comunicazione 414 del luglio 2007 relativa alla problematica della siccità e della crisi idrica, ha indicato chiaramente tra le linee di indirizzo strategico il miglioramento delle conoscenze, dei sistemi di raccolta e della elaborazione dei dati, nonché lo sviluppo di una cultura dell acqua, orientata alla valorizzazione del bene e alla individuazione delle pratiche per il suo risparmio. Anche la Regione Lombardia, tra gli obbiettivi del Patto per l acqua che è stato sottoscritto lo scorso 24 febbraio 2009 tra tutti i soggetti interessati per affrontare il problema della siccità e carenza idrica in Lombardia, ha individuato tra le linee di azione anche quelle relative a: - sostenere lo sviluppo delle conoscenze relative al sistema idrico, con particolare riguardo alle strutture idrogeologiche, al fine di sviluppare modelli di gestione delle stesse e dei corpi idrici superficiali connessi; - promuovere lo sviluppo di una rete di rapporti tra mondo della ricerca, amministratori e utilizzatori delle acque, per allargare le possibilità di accesso alle informazioni, intendendo in primo luogo i dati di monitoraggio, ma anche studi, ricerche, progetti, esperienze pilota, eventi inerenti il tema dell'acqua. Figura 1. Bilancio idrologico delle acque sotterranee. VALUTAZIONE RISORSE IDRICHE In tale contesto presso l Istituto per la Dinamica dei Processi Ambientali del CNR e il Dipartimento di Scienze dell Ambiente e del Territorio della Università degli Sudi di Milano Bicocca sono in corso da anni attività di ricerca per la valutazione delle risorse idriche sotterranee della Pianura padana. In particolare vengono utilizzati modelli matematici applicati all idrogeologia per sintetizzare in un unica struttura tutte le informazioni ricavate sul campo, per testare le ipotesi circa il funzionamento del sistema reale, per coadiuvare nello studio di un sistema e per predire scenari futuri. I dati idrogeologici derivati da reti di monitoraggio sono una informazione fondamentale per validare i modelli e renderli quindi strumenti previsionali affidabili e vanno gestiti in idonee banche dati integrate. I principali problemi legati a una corretta
valutazione delle risorse idriche delle acque sotterranee sono rappresentati dalla ricostruzione delle caratteristiche idrogeologiche del sottosuolo e dai dati di bilancio idrologico del sistema (Cavallin et al., 1999). Nelle aree di pianura è fondamentale la ricostruzione delle caratteristiche del sottosuolo, costituito da depositi alluvionali con tessiture (ghiaie, sabbie e argille) spazialmente eterogenee. A tal fine è stato sviluppata una specifica banca di pozzi per acqua TANGRAM (www.tangram.samit.unimib.it) (Bonomi et al., 1995). La prima versione risale al 1988 e oggi contiene oltre 25.000 pozzi per lo più del settore lombardo e piemontese della pianura padana. Un notevole impulso alla raccolta è stato recentemente dato nell ambito del Progetto RICLIC (Regional Impact of CLimatic Change in Lombardy Water Resources: Modelling and applications) (www.riclic.unimib.it). Inizialmente deve essere ricostruito il modello fisico dei corpi idrici interessati e quindi delle loro geometrie: variazioni degli spessori dalle zone di alimentazione e ricarica; zone di massima potenzialità idrica; definizione delle tessiture sia della coltre superficiale (suolo), sia del sottosuolo, utilizzando i dati delle stratigrafie dei pozzi e quindi parametrizzazione (conducibilità e porosità) dei corpi idrici sotterranei. Viene utilizzata una metodologia integrata (Cavallin et al., 2002; Bonomi, 2009) di banche dati per pozzi per acqua, GIS (Geographic Information System) e GOCAD (Geologic Object Computer Aided Design) ( Figura 2). Le fasi per la ricostruzione delle caratteristiche fisiche del sistema prevedono: 1 - archiviazione delle informazioni idrogeologiche dei pozzi in apposite banche dati, nelle quali i dati stratigrafici dei pozzi sono codificati e georeferenziati, per sfruttare la grande potenzialità informativa dei dati stratigrafici dei pozzi per acqua superando la tradizionale semplice descrizione litologica dei livelli. La qualità dei dati utilizzati viene superata dalla densità degli stessi. 2. Estrazione, dalla banca dati in coordinate spaziali, delle percentuali dei termini tessiturali e delle caratteristiche idrogeologiche di permeabilità e porosità attribuite ad ogni singolo livello stratigrafico attraversato dai pozzi (Figura 3). 3. Elaborazione degli stessi secondo intervalli normalizzati, identificati sulla base della scala di dettaglio prescelta 4. Ricostruzione tridimensionale in GOCAD delle geometrie di riferimento del sistema idrogeologico in esame, quali la superficie della base dell acquifero e quella topografica. 5. Creazione di una griglia tridimensionale in GOCAD, delimitata dalle superfici di controllo del sistema ed interpolazione tridimensionale con l uso del DSI, (Discrete Smooth Interpolator) e/o di tecniche kriging. 6. Ricostruzione 3D delle caratteristiche tessiturali ed idrogeologiche del sottosuolo, per la profondità voluta e con intervalli a scelta. 7. Applicazioni per differenti tematismi relativi alle risorse idriche sotterrane, come le valutazioni quantitative e qualitative. Figura 2. Metodologia di lavoro. Figura 3 Dettaglio di alcuni pozzi per acqua in un settore della pianura padana, con attribuzione delle percentuali di termini grossolani ogni 2 m di spessore.
RICOSTRUZIONI TESSITURALI Dalla banca dati vengono selezionati, per ogni pozzo georeferenziato, i valori percentuali dei termini grossolani, medi e fini, per intervalli di profondità a scelta e successivamente elaborati nel software GOCAD come PointsSet, unitamente ai dati relativi alle superfici di riferimento del sistema (superficie topografica, base del primo acquifero). Attraverso l uso di GOCAD possono essere ricostruite le geometrie tridimensionali di riferimento del sistema idrogeologico in esame (per esempio superficie topografica, base degli acquiferi), rispetto alle quali posizionare i pozzi archiviati nella banca dati. I punti XYZ ricavati dalla banca dati vengono interpolati tridimensionalmente, secondo tale griglia, con l uso di tecniche geostatistiche (kriging). Con questi elementi è stata elaborata una griglia tridimensionale sull intera provincia di Milano costituita da celle di 250m * 250m e circa 3 m di spessore. Lo spessore totale considerato è circa 100 m, variabile in funzione delle superfici. L attribuzione dei valori percentuali delle tessiture dei singoli pozzi a tutte le celle che costituiscono l SGrid ha consentito di elaborare tridimensionalmente le distribuzioni delle caratteristiche tessiturali e di interpretarle in dettaglio. Viene calcolata la distribuzione percentuale dei termini grossolano sull intero volume di sottosuolo che va dal piano campagna alla base del primo acquifero. Nel caso di Milano il volume investigato è pari a oltre 217 miliardi di mc di terreno (Figura 4), del quale una parte è satura ed una parte è non satura e che cambia al variare della superficie piezometrica. E possibile costruire sezioni lungo le tre direzioni (x,y,z) per tutte le classi granulometriche considerate (grossolani, medi e fini) con la individuazione dei principali livelli permeabili del sottosuolo provinciale e del loro andamento spaziale (Figura 4). Nelle sezioni sono rappresentate in gradazione di colori le percentuali di una singola frazione tessiturale rappresentandone la distribuzione spaziale. 217 184 012 398 m 3 terreno 155 m slm 105 m slm 86 m slm -41 m slm grossolani medi fini Termini medi grossolani fini 220 m slm Dimensioni celle: 250 * 250 * ~ 3 m 84 m slm Figura 4. Distribuzione delle percentuali di termini grossolani nel volume di sottosuolo investigato (in alto). Sezioni N-S e W-E delle percentuali, rispettivamente dall alto verso il basso, di termini, grossolani, medi fini.
VALUTAZIONI QUANTITATIVE Per poter calcolare i volumi d acqua stoccati nel sottosuolo, è necessario una ricostruzione storica areale e temporale dell andamento piezometrico. I dati relativi al monitoraggio del livello della falda è fondamentale per poter affrontare gli aspetti quantitativi delle risorse idriche (Cavallin et al., 2007). Nel caso in esame, il monitoraggio è stato effettuato da1975 ad oggi dalla Provincia di Milano ed in tal modo è possibile effettuare elaborazioni quantitative. La evoluzione temporale del livello piezometrico del comune di Milano e dinamica nel tempo. Nel 1990 era ancora molto elevato il prelievo sia pubblico che privato, mentre nel 2004 erano già avvenuti tutti quegli sviluppi di decentralizzazione e dismissione industriali così come la diminuzione dei prelievi pubblici della città di Milano per cui il livello piezometrico si è innalzato. Come detto, il volume di sottosuolo investigato è pari a oltre 217 miliardi di mc di terreno del quale una parte è satura ed una parte è non satura. Tale distinzione varia dinamicamente con il variare della superficie piezometrica. Al variare del livello piezometrico cambiano le proporzioni tra zona satura e non satura. Differenti porzioni di sottosuolo corrispondono a differenti classi granulometriche. Di conseguenza ogni zona satura corrisponde a differenti classi di porosità efficace, all interno della quale transita l acqua. Variazioni di porosità efficace si traducono in variazioni di volumi d acqua presenti nel sottosuolo. Nella tabella sottostante è riportata una stima del volume d acqua contenuta nel sottosuolo, in relazione alle variazioni piezometriche e alla ricostruzione stratigrafica tridimensionale, in alcuni anni dal 1977 al 2005, a scala provinciale. Anno 1977 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Terreno saturo m 3 174 185 703 208 185 896 478 808 184 490 050 908 178 696 532 408 182 787 595 714 179 615 294 057 183 694 712 308 182 719 490 248 181 791 908 874 181 092 523 857 180 541 799 298 Volume Acqua m 3 34 773 425 963 37 037 351 809 36 718 063 375 35 437 086 415 36 331 031 731 35 636 651 195 36 528 470 509 36 305 083 385 36 130 014 570 35 981 349 021 35 857 849 201 Si può osservare che il minimo valore di volume di acqua si è avuto nel 1977 (minimo piezometrico, 34.7 miliardi di mc) e il massimo nel 1980 (massimo connesso ad elevati apporti pluviometrici, 37 miliardi di mc) (Figura 5). mc Miliardi 38 37.5 37 36.5 36 35.5 Volume Acqua nel sottosuolo milanese 37.04 36.72 36.53 36.33 36.31 36.13 35.64 35.44 35.98 35.86 35 34.77 34.5 34 33.5 33 1977 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 anni Figura 5. Stima del volume di acqua contenuta nel sottosuolo milanese dal 1977 al 2005.
CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE La metodologia messa a punto presso l IDPA-CNR, utilizzando la banca dati di pozzi per acqua (TANGRAM) integrato in un GIS e con un sistema di ricostruzione 3D dei corpi del sottosuolo, permette di realizzare un quadro conoscitivo del modello fisico del sottosuolo. E anche possibile effettuare lo studio della propagazione degli inquinanti che è molto importante per la gestione delle risorse idriche, basato su una ricostruzione dettagliata delle eterogeneità del sistema che consente di stimare i reali percorsi degli inquinanti (Figura 6). Sulla base dei dati di monitoraggio è possibile valutare i quantitativi di acqua contenuti nel sottosuolo della pianura e la loro variazione temporale in base ai dati piezometrici; valutare il bilancio idrologico e idrogeologico delle voci di bilancio; tarare il modello in base all evoluzione storica piezometrica. E così possibile valutare le risorse idriche disponibili in aree di pianura e quindi poterle utilizzare per affrontare le situazioni di criticità legate alle carenze di risorse connesse con usi plurimi delle acque e alle condizioni di siccità legate alle variazioni climatiche. Si può inoltre applicare, passando da scala regionale a scale locali, per affrontare problematiche specifiche nella gestione delle risorse idriche (Figura 6). Bibliografia principale Bonomi T. e A. Cavallin. La struttura idrogeologia e le variazioni piezometriche: elementi critici nella gestione delle acque sotterranee. Giornale di Geologia Applicata, 5 (2007): 125-134, 2007. Bonomi T.. Database development and 3D modeling of textural variations in heterogeneous, unconsolidated aquifer media: application to the Milan plain. Computers & Geosciences. 35, 134-145, 2009. Bonomi, T., A. Cavallin e M. De Amicis. Un database per pozzi: Tangram. Quaderni Geologia Applicata, suppl. n. 31/95, 3.461-3.465, 1995. Bonomi, T., A. Cavallin, G. Stelluti, e G. Guerra. 3-d subsoil parameterisation in a plan region of North Italy. Mem. Soc. Geol. It.,57 (2002): 543-550, 2002. Cavallin A., T. Bonomi, M. De Amicis, S. Rizzi, P. Trefiletti e R. Tizzone. Evoluzione della dinamica piezometrica nell area milanese in funzione di alcuni fattori socio-economici. Pubblicazione CNR- GNDCI n. 1955, 9-17, 1999.. Custodio E.. Intensive use of round water and sustainability. Ground Water, 43 (3): 291-291, 2005.. IRSA-CNR. Un futuro per l acqua in Italia, Quaderni IRSA n. 109, Roma, 1999. Maugeri M. Climatologia. In Progetto Kyoto Lombardia, FLA, Ricerche & Risultati 50:17-51, 2008. Regione Lombardia. Usi e tutela delle acque in Lombardia. Linee strategiche, pianificazione e regole utilizzo razionale e sostenibile della risorsa idrica. 2006 Tibaldi S., et al., 2007. Il cambiamento climatico nel bacino del Po: variabilità e trend. Atti della conferenza Effetti dei cambiamenti climatici sul bacino del Po, 16 luglio 2007. Conferenza Cambiamenti Climatici, Parma aprile 2007. UNESCO, International Hydrological Programme,: Water Dependencies: Systems under Stress and Societal Responses, IHP/Bur-XL/11, Paris, 2007. Zektser I. S. and L.E. Everett. edts. Groundwater resources of the world and their use. UNESCO, IHP-VI, series on groundwater, 6, 2004. Figura 6. Possibili applicazioni della metodologia proposta.