Tecniche geofisiche innovative per il monitoraggio delle risorse idriche sotterranee esposte ai cambiamenti climatici e alla contaminazione antropica

In recent years, the integration of geophysical and hydrogeological techniques has attracted significant interest due to its advantages in groundwater (GW) monitoring. This study presents the results of research conducted between 2022 and 2023 in the lower Val Magra (SP), a vast alluvial plain ending on the Tyrrhenian Sea coast. This area hosts a significant aquifer, crucial for the water supply of Spezia. The aquifer is subject to seawater intrusion (SI), a problem enhanced by climate change (CC) and the Magra River estuary (MR). The research aims to develop an innovative methodological approach by integrating the latest geophysical and hydrogeological techniques. These techniques will be applied for qualitative and quantitative GW monitoring in a territory affected by CC and high anthropogenic impact. For the environmental characterization of the test site, hydrogeological and hydrochemical techniques were used at the alluvial plain scale. A database of hydrochemical and electrical conductivity (EC) data (4000 samples from 40 wells) was collected from bibliographic sources. This database was integrated with new EC and δ¹⁸O measurements (90 samples from 11 monitoring stations and 3 wells along the MR). Hydrochemical techniques (PCA, HCA) identified the main hydrochemical facies and GW recharge zones. SI was detected using the EC-δ¹⁸O pair, two natural water tracers. The SI migration dynamics in the MR were defined through multivariate regression models (PLS, Ridge, LASSO, Elastic Net) applied to the main environmental variables (river flow, wind speed and direction, sea level). For experimental tests, the Romito well field, located on the MR banks and previously affected by SI, was selected. The first test involved an initial geological/geophysical characterization of the site using direct methods (borehole data, piezometric measurements) and indirect methods: passive seismic (HVSR, SPAC, SNI) and active seismic (MASW, refraction), geoelectrical (ERT). Passive seismic techniques (SPAC and SNI) recorded VS variations associated with piezometric level perturbations generated by a pumping well. These variations were correlated with level measurements taken in the well. In the second test, the SI process from the river to the aquifer was forced by a pumping well and monitored through time-lapse ERT and natural tracer measurements (EC-δ¹⁸O). Hydrochemical monitoring data identified SI phenomena in large portions of the lower Val Magra, mainly near the MR. Under unfavorable conditions, corresponding to low river discharge and strong winds, SI rise along the MR reached the Romito site (8 km from the coastline). In the first test, the site’s high permeability (10^-3 m/s) resulted in small level variations (5 cm at 75 m) due to pumping. These were below the SNI technique’s sensitivity for most sensor pairs. Passive seismic showed the greatest potential among the tested methods, allowing piezometric monitoring with a single survey (SPAC + SNI), reducing time and costs. In the second test, tracers confirmed complete river-to-well propagation. The time-lapse ERT technique effectively revealed the movement of water masses with different salinities in the subsurface, even with minimal EC differences (300 µS/cm).

Negli ultimi anni, l’integrazione di tecniche geofisiche e idrogeologiche ha suscitato grande interesse per i vantaggi nel monitoraggio delle acque sotterranee (AS). In questo lavoro vengono presentati i risultati di una ricerca svolta tra il 2022 e il 2023 nella bassa Val Magra (SP), una vasta pianura alluvionale che termina sulla costa del mar Tirreno. Questo territorio ospita un importante acquifero, cruciale per la disponibilità idrica di Spezia. L’acquifero è soggetto a intrusione marina (IM), una problematica accentuata dal cambiamento climatico (CC) e dall’estuario del fiume Magra (FM). La ricerca mira a sviluppare un approccio metodologico innovativo ottenuto integrando le più recenti tecniche geofisiche ed idrogeologiche. Queste tecniche saranno applicate per il monitoraggio qualitativo e quantitativo delle AS, in un contesto territoriale soggetto al CC e ad elevato impatto antropico. Per la contestualizzazione ambientale del sito sono state utilizzate tecniche idrogeologiche e idrochimiche a scala della piana alluvionale. Da fonti bibliografiche è stato raccolto un database di dati idrochimici e di conducibilità elettrica dell’acqua (EC) (4000 campioni da 40 pozzi). Il database è stato integrato con nuove misure di EC e δ¹⁸O (90 campioni da 11 stazioni di monitoraggio e 3 pozzi lungo FM. Tecniche di idrochimica esplorativa (PCA, HCA) hanno permesso di identificare le principali famiglie idrochimiche e le zone di alimentazione delle AS. IM è stata rilevata utilizzando la coppia EC- δ¹⁸O, 2 traccianti naturali dell’acqua. La dinamica di migrazione dell’IM nel FM è stata definita attraverso modelli di regressione multivariata (PLS, Ridge, LASSO, Elastic Net) applicati alle principali variabili ambientali (portata del fiume, velocità e direzione del vento, livello del mare). Per le prove sperimentali è stato individuato il campo pozzi di Romito, situato sulle sponde del FM ed interessato in passato da fenomeni di IM. Il primo test ha previsto un’iniziale caratterizzazione geologica/geofisica del sito tramite metodi diretti (dati da fori di sondaggio, misure piezometriche) e indiretti di: sismica passiva (HVSR, SPAC, SNI) e sismica attiva (MASW, rifrazione), geoelettrica (ERT). Tecniche di sismica passiva (SPAC e SNI) hanno permesso di registrare le variazioni di VS associate a perturbazioni del livello piezometrico e generate da un pozzo in pompaggio. Queste variazioni sono state correlate a misure di livello eseguite in pozzo. Nel secondo test, il processo di IM dal fiume alla falda è stato forzato da un pozzo in pompaggio e monitorato attraverso ERT time-lapse e misure con traccianti naturali (EC-δ¹⁸O). I dati di monitoraggio idrochimico hanno identificato fenomeni di IM in ampie porzioni di territorio della bassa Val Magra, principalmente in prossimità del FM. In condizioni sfavorevoli, corrispondenti a basse portate e venti intensi, la risalita di IM lungo il FM ha raggiunto il sito di Romito (8 km dalla linea di costa). Nel primo test, l’elevata permeabilità del sito (10^-3 m/s) ha determinato variazioni di livello modeste (5 cm a 75 m) per effetto del pompaggio. Queste sono risultate al di sotto della sensibilità della tecnica SNI per la maggior parte delle coppie di sensori. La sismica passiva presenta le maggiori potenzialità tra i metodi testati, permettendo il monitoraggio piezometrico con un’unica indagine (SPAC + SNI), riducendo tempi e costi. Nel secondo test, i traccianti hanno confermato una propagazione completa fiume-pozzo. La tecnica ERT time-lapse si è dimostrata efficace nel rivelare il movimento di masse d’acqua a diversa salinità nel sottosuolo, anche con minime differenze di EC (300 µS/cm).