Non invasive hydrogeophysical techniques for vadose zone hydrological characterization

L’idrogeofisica è una disciplina che è emersa ed ha avuto un importante sviluppo nelle ultime due decadi. Lo scopo di questa disciplina è la caratterizzazione idrologica ed idrogeologica del sottosuolo attraverso tecniche geofisiche non invasive. Le tecniche di campionamento convenzionali sono di norma spazialmente distribuite ed acquisite ad una scala impropria. Le tecniche geofisiche invece permettono indagini spazialmente più fitte in 2D o 3D. Il presente lavoro si focalizza sulla caratterizzazione idrologica della zona vadosa. I dati ottenuti dalle tecniche geofisiche possono essere utilizzati per calibrare modelli fisico matematici del flusso nella zona del non-saturo. Tale approccio idrogeofisico è basato su relazioni petrofisiche che legano le quantità geofisiche con le variabili idrologiche. Il classico approccio idrogeofisico parte dalle misure geofisiche per ottenere una stima di parametri idrologici, che a loro volta vengono impiegati in modelli idraulici in grado di fornire ulteriori proprietà del sistema idraulico del sottosuolo. I modelli idrologici vengono successivamente validati e calibrati con i risultati delle inversioni geofisiche in time-lapse. Questo approccio prevede l’inversione del dato geofisico, metodo che può portare ad immagini del sottosuolo che contengono artefatti e che non tengono conto della risoluzione della tecnica applicata. Un approccio differente prevede che ai parametri stimati dai modelli idraulici siano applicate le relazioni petrofisiche, al fine di tradurre le quantità idrologiche in quantità geofisiche. A questo punto la simulazione di modelli geofisici diretti permette un confronto immediato con i dati misurati, senza l’ausilio dell’inversione geofisica. Il presente lavoro è suddiviso in due parti. La prima parte è centrata sulla caratterizzazione idrologica dello stato stazionario iniziale attraverso misure radar (GPR). Lo scopo principale del lavoro è quello di quantificare quanto le misure GPR a zero offset profiling (ZOP) siano informative delle geometrie del sottosuolo e delle relative condizioni di contenuto idraulico dei materiali. Questo lavoro è essenziale per ottenere una stima del contenuto idrico del sottosuolo e della relativa incertezza che ne deriva, poiché tali stime sono il punto di partenza delle simulazioni idrauliche. La seconda parte del lavoro è focalizzata sulla inversione idrogeofisica di un test con tracciante salino condotto ad Hatfield (UK). L’approccio idrogeofisico adottato è quello di simulare misure geofisiche direttamente dalla distribuzione dei parametri idrologici calcolati, per ottenere una calibrazione di quelle quantità idrologiche scopo della metodologia applicata. La ricostruzione dell’evoluzione di un plume iniettato nella zona vadosa è interessante ai fini di identificare i possibili percorsi di un contaminante nel sottosuolo. A tale scopo un codice di particle tracking è stato applicato ai risultati dell’inversione idrologica. Il codice di partcle tracking è in grado di distinguere i percorsi dell’acqua iniettata dall’acqua già presente nel sistema e movimentata del cambiamento di pressione in atto, ‘effetto pistone’. Le inversioni delle misure geofisiche non permettono di distinguere il fluido tracciante dai cambiamenti del contenuto idrico dei materiali adiacenti al plume iniettato.