Assessment of heterogeneous hydraulic properties in natural aquifers at the intermediate scale

La caratterizzazione degli acquiferi naturali a scala intermedia è un problema di fondamentale importanza nell'idrologia sotterranea. Per intermedia si intende una scala compresa fra la scala locale, con dimensioni orizzontali del dominio comparabili con quella verticale, e la scala regionale, dove la dimensione verticale è di più ordini di grandezza inferiore a quelle orizzontali. Gli studi sulla scala intermedia sono estremamente importanti per una gestione corretta e sostenibile della risorsa idropotabile, per il controllo dell'inquinamento e per la protezione dal dissesto idrogeologico. A titolo di esempio, in Italia circa l'ottanta per cento dell'acqua potabile viene estratta dalle falde acquifere. La letteratura scientifica di settore è composta da numerosi studi che trattano il problema su scala regionale, con un minor numero di contributi a scala locale. In ogni caso l'ambito della scala intermedia risulta meno sviluppato: esso è caratterizzato da alcuni problemi aperti, quali, ad esempio, la scelta più adeguata dei modelli numerici da utilizzare e la definizione di metodi di stima dei parametri. Un grande limite, inoltre, è rappresentato dalla scarsità di siti sperimentali su cui testare e validare le teorie e i metodi sviluppati, aspetto che spesso rischia di rendere i risultati della ricerca difficilmente fruibili nelle pratiche applicazioni. Il lavoro presentato in questa tesi è diviso in quattro capitoli. (1) Gestione e caratterizzazione del campo prove multi-scala di Settolo (TV). È stata messa a punto la strumentazione del campo prove di Settolo-Valdobbiadene, in provincia di Treviso, per lo studio delle dinamiche multi scala di flusso e trasporto sotterraneo. Per quanto è noto, a dicembre 2013 esso è l'unico esempio in Italia di campo sperimentale su più scale (locale e intermedia). Un attento monitoraggio di livelli di falda, precipitazione, e condizioni al contorno unito ad analisi geotecniche, idrauliche, geofisiche, chimico-biologiche e topografiche, fornisce un notevole insieme di dati che consentono svariate applicazioni. (2) Confronto tra modelli 2D e 3D su scala intermedia. Un primo utilizzo dei dati del campo sperimentale è consistito nella comparazione dei risultati di due modelli numerici volta a determinare l'adeguatezza di una approssimazione shallow water all'ambito di analisi. Nel confronto sono stati presi in considerazione anche aspetti pratici quali la velocità di calcolo e la facilità di implementazione con specifico riferimento alle caratteristiche del sito in esame. (3) Messa a punto di un nuovo algoritmo di stima dei parametri e dell'incertezza. Un nuovo algoritmo di ottimizzazione globale, applicabile a svariati problemi di ottimizzazione, è stato formulato e validato. Tale metodo è stato applicato con successo nella stima dei parametri idraulici eterogenei dell'acquifero di Settolo, fornendo anche una valutazione spaziale dell'incertezza nella stima. (4) Applicazione a un caso pratico di un metodo di assimilazione dati e multiple point geostatistics. Un approccio di modellazione inversa che combina l'ensemble Kalman filter (EnKF) e le multiple point geostatistics (MPG), è stato applicato al campo sperimentale di Settolo-Valdobbiadene. Combinando dati diversi, quali immagini satellitari, tomografie geoelettriche del suolo, dati piezometrici di falda, precipitazioni e indagini geotecniche, si è cercato di ricostruire la distribuzione spaziale dei paleoalvei ghiaiosi, la cui posizione risulta fondamentale per poter definire con precisione le direzioni preferenziali di flusso e trasporto sotterraneo. Tale analisi, applicata per la prima volta un caso reale, ha messo in luce potenzialità e limiti dell'approccio utilizzato.