Time-lapse electrical resistivity tomography for the dynamic characterization of hydrogeological systems

Come ormai noto, lo studio dei processi idrogeologici sub-superficiali risulta essere fortemente limitato qualora allo scopo si utilizzino esclusivamente tecniche idrogeologiche di tipo tradizionale (campionamento suoli/acque da foro, test in-situ, misure di laboratorio): tali tecniche hanno, infatti, sempre mostrato forti restrizioni in tale ambito, principalmente a causa della natura locale delle misure e dal disturbo indotto sui campioni, oltre che dal numero necessariamente vincolato di dati ottenibili. Queste le ragioni tali per cui metodi di tipo non convenzionale stanno acquisendo sempre più popolarità nell’ambito dello studio dei principali processi che interessano la zona satura e la zona insatura del sottosuolo; tra questi metodi, un ruolo di fondamentale importanza è in particolare giocato dalle tecniche di prospezione geofisica. I metodi geofisici si rivelano, infatti, molto utili in quanto, oltre ad avere carattere non invasivo (o minimamente invasivo) ed essere versatili e relativamente economici, hanno la capacità di descrivere due aspetti del mezzo indagato: aspetti statici, ovvero quelli che non variano nel tempo, legati principalmente alle caratteristiche geometriche e alle proprietà fisico-chimiche del mezzo; aspetti dinamici, che variano nel tempo in risposta ai cambiamenti nel grado di saturazione e nella chimica dei fluidi che attraversano il mezzo. Come testimoniato dalla recente letteratura reperibile in materia, le tecniche geofisiche più comunemente applicate ai fini di cui sopra sono: la tecnica di Tomografia di Resistività Elettrica (ERT), applicata sia da superficie sia da foro, e il metodo del Ground Penetrating Radar (GPR), anche in tal caso sia da superficie sia da foro. Gli obiettivi perseguibili nello studio delle caratteristiche geologiche e idrogeologiche dei sistemi sub-superficiali mediante l’applicazione delle tecniche di tipo geofisico sono vari, tuttavia suddivisibili in tre principali categorie: 1) mappatura dei sistemi idrogeologici, 2) stima dei parametri idrologici, 3) monitoraggio dei processi idrologici. La prima area (mappatura dei sistemi idrogeologici) persegue come scopi principali la definizione e caratterizzazione geometrica di acquiferi e acquitardi, l’individuazione ad ampia scala della profondità cui si attesta il livello freatico, la delineazione di zone di faglia e fratture, nonché la delimitazione dei limiti di interfaccia acqua dolce/acqua salata. Il parametro di conducibilità idraulica K (il quale risulta essere la variabile più importante negli studi idrogeologici) è fortemente controllato dalle eterogeneità che caratterizzano il sottosuolo; un’idonea rappresentazione delle strutture sepolte (paleo-alvei, fratture, acquitardi e acquicludi), le quali possono costituire percorsi di flusso preferenziale o ostacoli a quest’ultimo, diviene quindi essere di fondamentale importanza per la caratterizzazione del sottosuolo. La seconda area (stima dei parametri idrologici) riguarda l’approccio qualitativo e/o quantitativo utilizzato ai fini della stima dei parametri idrogeologici dei mezzi in esame. A tal fine, è possibile adottare due approcci differenti, in altre parole: a. collegare quantità geofisiche misurabili (e.g. resistività elettrica o permittività dielettrica) a parametri idrologici fondamentali (e.g. conducibilità idraulica) mediante relazioni dirette (di tipo empirico); b. tradurre quantità geofisiche misurabili (e.g. resistività elettrica, velocità sismica, permittività dielettrica) in quantità idrologiche (e.g. contenuto idrico nel non saturo, concentrazione di soluti nel saturo) utili alla calibrazione di opportuni modelli di flusso o di trasporto e, successivamente, a partire da questi procedere alla stima quantitativa dei parametri di interesse (e.g. conducibilità idraulica). Il primo approccia ritrova le prime applicazioni già a partire dagli anni ’80, mostrando tuttavia deboli risultati, soprattutto a causa del carattere limitativo di alcune assunzioni teoriche di base. Il secondo approccio (attualmente il più utilizzato) risulta essere, invece, concettualmente più robusto, in quanto riconosce il fatto che determinati parametri idrologici sono definiti unicamente sulla base di modelli costitutivi e non possono essere misurati mediante tecniche geofisiche (i.e. mediante tecniche basate su equazioni fisico-matematiche di natura diversa), neppure in maniera indiretta; dall’altro lato sottolinea che determinate altre quantità idrologiche, ovvero quelle definibili solo in termini di massa o di volume, tra le quali il contenuto idrico nel non saturo (i.e. il rapporto tra volume dell’acqua e volume totale del mezzo) e la concentrazione di soluti nel saturo, meglio si prestano ad essere determinate mediante le procedure geofisiche, in quanto direttamente correlabili alle quantità fisiche elementari da queste ultime misurate. La terza area (monitoraggio dei processi idrologici) consiste infine nella mappatura delle variazioni delle proprietà del sottosuolo nel tempo, ovvero delle variazioni causate da processi naturali o forzati. Le misure geofisiche in time-lapse (i.e. misure che prevedono l’acquisizione reiterata di dati nella stessa posizione spaziale ma ad istanti di tempo differenti) permettono lo studio delle trasformazioni dinamiche che interessano i mezzi in esame e quindi offrono la possibilità di investigare sui processi di flusso e di trasporto che agiscono nei primi metri al di sotto della superficie terrestre. I dati mostrati nel presente lavoro si riferiscono ai risultati ottenuti applicando tale approccio idrogeofisico in tre differenti siti sperimentali (in termini di proprietà statiche e dinamiche): i primi due siti sono entrambi collocati nell’Italia Nord – Orientale, all’interno della Regione Veneto, in particolare il primo all’interno del campo pozzi di Valdobbiadene (Treviso), il secondo nella riserva naturale di Villaverla (Vicenza); il terzo campo pilota è invece posto in un’area contaminata a nord della città di Trento (Regione Trentino – Alto-Adige), nota anche con il nome di “Area Trento – Nord”. I tre casi di studio di cui sopra si presentano come validi esempi di applicazione di tecniche di Tomografia di Resistività Elettrica da foro e da superficie a supporto di metodi idrogeologico/ambientali di tipo convenzionale, in questo caso rappresentati dalle prove con tracciante salino. La tecnica ERT ha mostrato, infatti, ottimi risultati in tale ambito nei vari siti sperimentali, essendo questa estremamente sensibile alle variazioni di conducibilità elettrica in profondità e quindi divenendo un importante strumento conoscitivo per le dinamiche sub superficiali; nel presente lavoro saranno tuttavia messi in luce anche aspetti negativi relativi a problematiche legate alla modalità di acquisizione, inversione e interpretazione dei dati ERT. Lo scopo principale del presente studio è di mettere in luce la qualità delle informazioni che possono o non possono essere ottenute da suddette procedure integrate.