Geostatistica nel contesto idrogeologico ed ambientale

In questa tesi una serie di problematiche di tipo idrogeologico ed ambientale vengono affrontate secondo la metodologia geostatistica. Le casistiche affrontate sono caratterizzate da un compito comune. In particolare, si e` interessati a conoscere in maniera esaustiva la distribuzione spaziale (o spazio-temporale) di una proprietà-fisico chimica a partire da un insieme frammentario ed eterogeneo di informazioni. Tale compito, inevitabilmente, e` caratterizzato da incertezza. L’incertezza circa la reale distribuzione spaziale della proprietà studiata deriva sia dalla complessità ed eterogeneità dei processi fisico-chimici coinvolti nei fenomeni analizzati sia dalla frammentarietà ed eterogeneità dell’informazione disponibile. In pratica, più scenari della distribuzione spaziale della proprietà fisico-chimica di interesse sono compatibili con le informazioni in nostro possesso. La metodologia geostatistica, permettendo di utilizzare la struttura sfumata che sovente caratterizza la distribuzione spaziale delle proprietà studiate, consente l’analisi e la quantificazione dell’incertezza spaziale, offrendo una serie di strumenti estremamente utili per operare eventuali processi decisionali. Nella parte iniziale della tesi, ci si dedica all’esposizione e all’approfondimento di quelle tematiche (analisi esplorativa dei dati, codifica indicativa dell’informazione, quantificazione dell’incertezza spaziale mediante la costruzioni di simulazioni condizionate) che risultano particolarmente rilevanti nel contesto idrogeologico ed ambientale. Quindi, quattro casistiche di studio (vedi figura) di ambito idrogeologico ed ambientale sono affrontate utilizzando gli strumenti geostatistici. Caso di studio 1. Ricostruzione probabilistiche del sottosuolo: il caso di Porto Marghera In questo caso di studio si e` interessati a quantificare l’incertezza spaziale circa la distribuzione spaziale 3D dei corpi sedimentari, in corrispondenza del sito industriale di “Porto Marghera”, posto ai margini della laguna di Venezia. Allo scopo vi sono a disposizione 769 carotaggi, ubicati su un’area di pochi ettari di estensione ed interessanti i primi 18 m del sottosuolo. Gli ambienti sedimentari incontrati sono rappresentati principalmente da depositi fluviali e fluvio-lacustri pleistocenici e solo marginalmente da depositi lagunari e fluviali olocenici. L’informazione contenuta nel database stratigrafico e` stata convenientemente codificata in termini di classi composizionali granulometriche. Conseguentemente, per ogni classe, si e` provveduto ad eseguire un’analisi esplorativa dei dati e lo studio della continuità spaziale, mediante il calcolo del variogramma indicativo 3D. Quindi, per le classi composizionali definite, e` stata eseguita l’inferenza dei modelli di variogramma. Infine, delle procedure di kriging indicativo e di simulazione sequenziale indicativa sono state utilizzate al fine della quantificazione dell’incertezza locale e dell’incertezza spaziale, relativamente alla distribuzione spaziale delle classi composizionali. I risultati delle elaborazioni sono analizzati e commentati, con particolar riguardo al loro utilizzo in ambito della modellistica del flusso sotterraneo. Caso di studio 2. Inquinamento del suolo in un area industriale dismessa L’area di studio e` situata nella città di Padova (Regione Veneto, Italia). Le attività industriali presenti nell’area dal 1950 hanno portato ad un degrado ambientale rilevante, come indicato, anche, dall’elevate concentrazioni di Piombo che si rinvengono nel suolo sino ad un profondità di 7 m, sia in corrispondenza della zona insatura sia della zona satura. Nella gran parte dei siti inquinati la geometria del dominio dimensionale investigato risulta notevolmente anisotropa. Generalmente e` caratterizzata da un’estensione nel piano orizzontale di alcuni ettari e un’estensione lungo la direzione verticale di pochi metri. Inoltre, le caratteristiche della distribuzione spaziale orizzontale degli inquinanti tendono a cambiare con la profondità, sia a causa della natura stratificata ed eterogenea del sottosuolo sia per effetto del passaggio tra condizioni insature e sature. In tali casi può risultare ragionevole suddividere il problema 3D in una serie di problemi 2D, scomponendo il dominio di studio in una serie di livelli orizzontali posti a differenti profondità. Per seguire tale approccio, in una prima fase e` stata studiata la distribuzione spaziale del piombo lungo la verticale e si e` utilizzato il kriging con deriva per eseguire delle stime lungo i carotaggi. Quindi, si e` proceduto alla studio geostatistico della distribuzione spaziale bidimensionale del piombo di una serie di livelli orizzontali, distribuiti dal piano campagna fino a 5 m di profondità. Per ognuno di tali livelli, utilizzando una procedura di “simulated annealing” sono state generate 500 simulazioni della distribuzione spaziale del piombo. Conseguentemente, i risultati delle post elaborazioni delle simulazioni sono presentati e commentati. Caso di studio 3. Distribuzione delle temperature nel bacino termale euganeo Il reservoir termale considerato e` principalmente localizzato nel calcare fratturato mesozoico dell’area euganea (Regione Veneto, Italia). L’analisi dei 186 valori di temperatura delle acque termali, oscillanti tra i 60 oC e gli 86 oC, evidenzia la presenza di una certa continuità nella distribuzione spaziale delle temperature. La struttura di continuità spaziale sembra in qualche modo relazionata alle caratteristiche tettonico-strutturali dell’area e deve essere presa in considerazione nel processo di quantificazione dell’incertezza della distribuzione spaziale delle temperature. Allo scopo le metodologie geostatistiche risultano particolarmente utili; a riguardo si e` utilizzata una procedura di “simulated annealing” al fine di costruire delle simulazioni condizionate riproducenti la continuità spaziale delle temperature e la connettività di valori elevati di temperatura. I risultati delle post-elaborazioni sono quindi presentati e commentati, con particolare riguardo all’individuazione di nuove aree di estrazione di acque termali. Caso di studio 4. Inquinamento da nitrati nelle acque sotterranee I metodi di analisi geostatistici sono applicati allo studio di un fenomeno inquinante delle acque sotterranee, di un area situata a nord di Padova (Italia). Lo studio dell’inquinamento riguarda, principalmente, l’acquifero non confinato che si sviluppa nella pianura alluvionale, costituito da depositi di ghiaia e sabbia, localmente interdigitati a depositi argillosi, deposti dal fiume Brenta. Il degrado qualitativo delle acque e` principalmente legato alle attività agricole ed industriali presenti nell’area. Il dataset analizzato e` composto da 3361 misurazioni delle concentrazioni di nitrati effettuate tra il 1990 ed il 1994. La cattiva strategia di campionamento permette solo uno studio solo parziale spazio-temporale del fenomeno. Oltre ad effettuare alcune considerazioni circa la variabilità spaziale e temporale dei nitrati e` stato possibile effettuare uno studio geostatistico per un mese (marzo `92) particolarmente campionato. Per tale subset e` stata utilizzata una procedura di “simulated annealing” per la costruzione di simulazioni condizionate, rappresentanti la distribuzione spaziale dei nitrati. I risultati delle post-elaborazioni sono presentati e commentati.