Arras Claudio - Dottorati di ricerca

Università degli Studi di Cagliari
Corso di Dottorato in Scienze e Tecnologie della Terra e dell’Ambiente
XXIX Ciclo
MODELLAZIONE 3D ED IDROGEOLOGICA FINALIZZATA ALLA
SPERIMENTAZIONE DI TECNICHE DI RICARICA CONTROLLATA
DEGLI ACQUIFERI (MAR) IN AMBIENTI ARIDI E SEMI-ARIDI
Dottorando: Arras Claudio
Matricola: 200/1062/62846
Tutor: Prof. Giorgio Ghiglieri
Dott.ssa Cristina Buttau
Dott. Antonio Funedda
REPORT DELLE ATTIVITA’ – A.A. 2013-2014
Introduzione e problematica generale
La ricerca sviluppata durante il dottorato si inserisce all’interno del progetto dimostrativo WADISMAR (www.wadismar.eu) finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del Programma
SWIM (Sustainable Water Integrated Management) (www.swim-sm.eu). Il progetto è coordinato da
NRD-UNISS (Nucleo Ricerca sulla Desertificazione – UNISS / Project Coordinator Prof. Giorgio
Ghiglieri), con la partnership di UB (Università di Barcellona), IRA (Institut des Régions Arides),
OSS (Observatoire du Sahara et du Sahel) e ANRH (Agence Nationale des Ressources
Hydrauliques). L'obiettivo generale di WADISMAR è quello di contribuire alla disseminazione e
implementazione di politiche e pratiche di gestione integrata e sostenibile delle risorse idriche al
fine di migliorare gli impatti derivanti dai processi di desertificazione e dai cambiamenti climatici
nei Paesi della sponda Sud del Mediterraneo. WADIS-MAR, in particolare prevede la realizzazione
di un sistema integrato di tecniche di water harvesting e managed aquifer recharge (MAR) in due
aree target del Maghreb: la regione di Batna e Biskra in Algeria e la regione di Medenine/Oum
Zessar in Tunisia (Ghiglieri et al., 2014).
Le tecniche di raccolta delle acque o water harvesting techniques sono molto diffuse in questi
territori (vedi Tabias e Jessours) e a piccola scala possono contribuire al processo d'infiltrazione
delle acque nel suolo durante i periodi piovosi. Le modalità costruttive tradizionali sono molteplici,
variano a seconda degli apporti idrici locali e comprendono terrazzamenti, gradonature, dighe di
controllo, laghetti, micro dighe etc. Le tecniche MAR invece possono rappresentare uno strumento
alternativo o supplementare alle tecniche di water harvesting. L'utilizzo di queste metodiche
permette di pianificare l'immagazzinamento delle acque superficiali in pozzi e cisterne, o addirittura
in acquiferi. A seconda delle modalità di ricarica le tecniche MAR vengono suddivise in:
- metodi per dispersione su acquiferi freatici o poco profondi;
- metodi per iniezione su acquiferi profondi posti al di sotto di formazioni impermeabili o
acquiferi in roccia.
Nella progettazione di un MAR lo studio e le conoscenze riguardo l’assetto geologico-strutturale e
idro-geologico dell’area di studio sono di fondamentale importanza nelle fasi iniziali di studio e
valutazione sulla fattibilità dell’opera (NRMMC-EPHC-NHMRC, 2009). Nel caso di acquiferi
impostati su depositi alluvionali risulta di grande importanza la conoscenza della geometria, della
composizione granulometrica, della porosità e dei parametri idrodinamici (trasmissività,
coefficiente di immagazzinamento e permeabilità) dell'acquifero. Nel caso di acquiferi ospitati in
rocce lapidee, oltre ai parametri su elencati bisogna prestare particolare attenzione alla tettonica e ai
sistemi di fratturazione (orientazione e dimensione dei giunti). Il modello idrogeologico concettuale
risulta di grande importanza per la progettazione del sistema MAR più idoneo finalizzato ad una
corretta gestione delle risorse idriche sotterranee (RIS), in particolare in ambienti aridi e/o semiaridi. Gli sviluppi nel campo della modellistica 3D applicata alla geologia permettono di stimare
quantitativamente, a partire dal modello concettuale, parametri importanti come i volumi
effettivamente disponibili per l’immagazzinamento delle acque.
Attività:
1) Ricerca bibliografica
Durante il primo anno di dottorato gli studi bibliografici sono stati indirizzati principalmente al
recupero di informazioni e all’implementazione delle conoscenze riguardo:
-
-
-
i dati di superficie delle due aree di studio come carte topografiche, DEM, cartografia
geologica, immagini satellitari e foto aeree, carte idro-geologiche;
i dati profondi delle aree di studio come log di pozzi contenenti dati stratigrafici, dati
idrogeologici e dati geochimici;
le tecniche di water harvesting e managed aquifer recharge già in uso nelle zone target e
sulle tecniche di ricarica utilizzate in contesti simili;
l’approfondimento delle conoscenze riguardo la gestione e interpretazione dei dati geologici
e idrogeologici contenuti in geo-database appositamente realizzati, finalizzati alla
correlazione tra dati di superficie e dati di profondità;
l’approfondimento delle conoscenze sui metodi di remote sensing finalizzate
all’interpretazione geologica di superficie utilizzando sistemi GIS;
l’approfondimento delle conoscenze sui software di modellizazione 3D applicata alla
geologia (MOVE) e sui software di modellazione fisica applicata all’idrogeologia
(MODFLOW);
l’approfondimento delle conoscenze sulle tecniche di acquisizione di dati profondi tramite
l’utilizzo di metodi geofisici e in particolare sulla geoelettrica (tomografie elettriche).
2) Ricostruzione dell’assetto idrogeologico della regione di Batna e Biskra (Algeria)
2.1 Introduzione
La regione di Batna e Biskra si trova nell’Algeria nord-orientale al confine tra le catene montuose
dell’Atlante e dell’Aures a Nord e la piattaforma Sahariana a Sud. Il clima è quello tipico delle zone
aride e semi-aride con rare precipitazioni concentrate in pochi giorni, per un totale medio annuo di
circa 128 mm. Si manifestano così intensi fenomeni di ruscellamento superficiale durante i quali le
acque difficilmente riescono a infiltrarsi e fluiscono in grandi laghi salati (chott) dove sono soggette
a forte evaporazione. La città di Biskra si è sviluppata attorno all’omonimo corso d’acqua effimero
(Oued), il quale ospita l’acquifero freatico alluvionale Inféro-flux. L’acquifero attualmente viene
sovrasfruttato per l’approvigionamento idro-potabile e irriguo della città, la quale ha visto un brusco
incremento demografico negli ultimi decenni a causa delle migrazioni interne delle popolazioni
rurali per un più facille accesso alle risorse. In questo contesto i sistemi MAR possono essere una
soluzione sotenibile ed economica di grande importanza per il ripristino quali-quantitativo della
risorsa idrica sotterranea (Arras et al., 2014a).
2.2 Dati disponibili
Per l'area di studio, vista l'impossibilità di poter eseguire delle indagini geologiche di dettaglio
direttamente in loco per motivi di sicurezza e visti di ingresso, la ricerca si basa esclusivamente sui
dati bibliografici esistenti. Attualmente per l’area di studio i dati disponibili sono i seguenti:
- carta topografica d’Algeria alla scala 1:200.000 Foglio Biskra N-O_7-8; Carta geologica
d’Algeria alla scala 1:200.000, Foglio Biskra (in formato cartaceo e vettoriale, ridisegnata
con l’ausislio dell’interpretazione di immagini satellitari); Carta idrogeologica di Biskra alla
scala 1:200.000;
- dati stratigrafici profondi, forniti in parte dal Ministère des Ressources en Eau (63 report) e
in parte proveninenti dalle note illustrative alla carta idrogeologica di Biskra (105 report);
- GDEM (Global Digital Elevation Model) di tipo ASTER (Advanced Spaceborn Thermal
Emission and Reflection Radiometer) Version 2 e SRTM (Shuttle Radar Topographic
Mission), entrambi con risoluzione orizzontale di 1 arco-secondo (30 metri); immagini
satellitari LANDSAT 8 e foto aeree. Tutti i dati satellitari sono scaricabili gratuitamente al
seguente indirizzo www.earthexplorer.usgs.gov.
2.3 Metodologia
Le raccolte cartografiche e i dati disponibili risultano essere a una scala di dettaglio non proprio
ottimale, come spesso accade soprattutto in contesti geografici e sociali similari, pertanto una parte
del lavoro è stata indirizzata al miglioramento del dettaglio della cartografia di base. Inoltre, poiché
le informazioni geologiche e stratigrafiche hanno fonti diverse è stato eseguito un attento lavoro di
controllo, reinterpretazione e omogeneizzazione.
2.3.1 Elaborazioni sul software ArcMap (ESRI)
Una nuova base topografica è stata realizzata utilizzando il GDEM SRTM. Esso ha la stessa
accuratezza orizzontale del GDEM ASTER ma la verifica dell'accuratezza verticale dei due GDEM
rispetto alle quote riportate nei report stratigrafici (che erano state misurate con strumenti
topografici) ha permesso di determinare che l’accuratezza verticale media dell’SRTM (+2,6 metri) è
maggiore rispetto a quella dell’ASTER (+6,6 metri). Su questa nuova base topografica sono stati
verificati e tracciati i contatti geologici ricavati integrando la cartografia ufficiale con
l’interpretazione di immagini satellitari LANDSAT 8 e foto aeree.
2.3.2 Elaborazioni sul software 3D MOVE
I nuovi dati di superficie e i dati stratigrafici profondi (contenuti nel Geo-DB; Arras, 2013) sono
stati importati ed elaborati nel software di modellazione 3D MOVE (Midland Valley Explorations
Ltd 2014) per la ricostruzione della superficie di separazione tra le alluvioni, sede dell’acquifero
Inféro-Flux, e i depositi Mio-Pliocenici semipermeabili che costituiscono il basamento (letto
dell’acquifero).
Il lavoro di ricostruzione si è articolato nelle seguenti fasi:
Fase 1) Realizzazione delle sezioni geologiche. Esse sono state tracciate perpendicolarmente
all’Oued Biskra e in corrispondenza dei sondaggi ubicati all’interno dell’alveo. In questo modo le
sezioni sono state tarate con le stratigrafie riportate nei sondaggi.
Fase 2) Gli orizzonti sono stati interpolati tramite la funzione ‘Delauney Triangulation’ basata su
punti; la superficie così ottenuta rappresenta il limite di separazione tra alluvioni e basamento.
Fase 3) La superficie di separazione alluvioni-basamento e il GDEM SRTM sono stati utilizzati per
ottenere il volume dei depositi alluvionali presenti nella porzione di acquifero modellizzato
utilizzando il comando ‘volume’.
2.4 Risultati preliminari
1) La ricostruzione dei contatti ha permesso di ottenere un maggior dettaglio della geologia di
superficie nell’area di studio;
2) l’interpretazione geomorfologica del GDEM, tarata in profondità tramite i log stratigrafici, ha
permesso la ricostruzione della superficie di separazione alluvioni-basamento.
3) Il volume totale della parte solida dell’acquifero in studio è stato calcolato utilizzando un
applicativo del software MOVE. In seguito, attribuendo un valore medio di porosità efficace
(stimato sulla base dei dati stratigrafici), è stato ottenuto il volume d’acqua potenzialmente
immagazzinabile.
3) Regione di Medenine / Oum Zessar (Tunisia)
3.1 Introduzione
La regione di Medenine / Oum Zessar, nella Tunisia sud-orientale (provincia di Médenine), occupa
un’area che si estende dai rilievi del Dahar fino al Mar Mediterraneo (Golfo di Gabès) attraversando
la piana di Jeffara. Questa regione è soggetto a clima di tipo arido e semi-arido, con precipitazioni
medie annue variabili tra i 150 e 240 mm. In questa regione, a sud della monoclinale Permiana di
Tebaga, le arenarie del Triass inferiore sono sub-affioranti e costituiscono un importante acquifero
superficiale (Yahyaoui, 2007), sfruttato per l’approviggionamento idro-potabile ed irriguo di larga
parte della pianura.
La formazione triassica spesso si rinviene alla base dei depositi alluvionali all’interno dei diversi
oued che attraversano la Jeffara. L’acquifero dunque riceve i maggiori apporti zenitali di ricarica
naturale dagli oued durante i brevi ma intensi eventi piovosi.
Una ricarica naturale insufficiente e lo sfruttamento sempre più intensivo dell’acquifero ha generato
negli anni un deficit sul bilancio idrogeologico, manifestatosi con un decremento della piezometrica
dell’ordine di decine di metri, mettendo in crisi il fabbisogno idro-potabile dell’area. Al fine di
migliorare la gestione delle RIS si è ipotizzato di utilizzare dei sistemi di ricarica controllata
dell’acquifero, comunemente conosciuti come MAR. La corretta progettazione del sistema MAR
più idoneo e la sua ubicazione deve essere supportata da una ricostruzione idro-geologica di
dettaglio (Arras et al., 2014b).
Di seguito vengono descritte le fasi dello studio.
3.2 Dati disponibili
I dati bibliografici disponibili per l’area di studio sono i seguenti:
- carta topografica della Tunisia alla scala 1:100:000, Foglio N°XCI Matmata e Foglio
N°XCII Medenine; Carta geologica della Tunisia alla scala 1:100.000 e relative note
illustrative, Foglio N°83 Mareth, Foglio N°84 Ajim, Foglio N°91 Matmata, Foglio N°92
Medenine, Foglio N°99 Rhoumrassene e Foglio N°100 Kirchaou;
-
n°94 report forniti dal partner tunisino IRA, contenenti informazioni di tipo stratigrafico,
idro-geologico e idro-geochimico;
- GDEM di tipo SRTM e ASTER, entrambi con risoluzione orizzontale di 30 metri, e
immagini satellitari landsat 8 (www.earthexplorer.usgs.gov).
3.3 Rilievi in situ
A differenza dell’area in studio ubicata in Algeria, in Tunisia è stato possibile programmare dei
rilievi in situ. Durante il primo anno sono state effettuate due campagne di rilevamento nell’area di
studio:
-
-
aprile 2014: campagna di indagini geofisiche (tomografie elettriche) in sei siti
potenzialmente idonei per l’ubicazione dei sistemi MAR. Lo strumento utilizzato è l’Abem
Terrameter SAS1000 combinato con un selettore di elettrodi ES 10-64 (Abem Instruments
AB, Sweden), gentilmente messo a disposizione dal Prof. Oggiano dell’università di Sassari.
I sei siti sono stati concordati con il partner tunisino (IRA) sia sulla base di criteri di tipo
idro-geologico che di tipo logistico e funzionale. La prospezione geofisica ha permesso
l’acquisizione di 6 profili di resistività apparente (tomografie elettriche) e nelle aree
limitrofe è stato eseguito un rilievo geologico di dettaglio;
giugno 2014: campagna di rilevamento geologico speditivo sull’intero bacino idrografico,
soprattutto per un controllo sulle giaciture degli strati, sui contatti geologici riportati nella
cartografia geologica ufficiale e per valutare qualitativamente le tipologie di rocce affioranti.
Il rilievo tradizionale è stato integrato da misure spettro radiometriche su terreni e rocce di
varia natura mediante lo strumento ASD FieldSpec 4 Standard resolution portable
spectroradiometer (Ull-range Vis/NIR), finalizzate alla validazione di immagini satellitari
multispettrali.
3.4 Risultati preliminari
1) L’interpretazione delle tomografie elettriche ha permesso di fare delle prime elaborazioni
soprattutto per quanto riguarda lo spessore dei depositi alluvionali, all’interno degli oued indagati, e
di valutare la profondità delle arenarie del Trias inferiore (acquifero che sarà interessato dai sistemi
MAR).
2) I dati geologici raccolti in sito hanno permesso di integrare le conoscenze sulla geologia
dell’area, soprattutto nell’area della monoclinale di Tebaga, lungo il bordo dell’altopiano del Dahar
e in corrispondenza dei siti dove è stata effettuata la geoelettrica.
4) Programmazione per il II anno
4.1 Regione di Batna e Biskra (Algeria)
-
-
ampliare l’area di studio, in particolare verso Nord Nord-Est, implementando quindi il
modello idrogeologico 3D, al fine di avere un’informazione più completa relativa al sistema
di circolazione delle acque sotterranee e dei rapporti con gli altri acquiferi presenti;
acquisire le capacità teoriche e pratiche per l’utilizzo di modellistica idrogeologica, in
particolare con il software MOD FLOW;
impostare il modello concettuale idrogeologico e le condizioni al contorno dell’acquifero
Infero-Flux;
simulare gli effetti della ricarica artificiale sull’acquifero Inféro-flux tramite l’utilizzo del
software MOD FLOW.
4.2 Regione di Medenine / Oum Zessar (Tunisia)
-
-
verificare i GDEM SRTM e ASTER con i valori di quota misurati in situ per l’elaborazione
di una topografica di base di maggior dettaglio;
verificare e ricostruire i contatti geologici. A tal fine si utilizzerà la nuova cartografia
topografica, la cartografia geologica ufficiale, i dati ottenuti durante le campagne di
rilevamento e l’interpretazione delle immagini da satellite;
ricostruire il modello idro-geologico 3D dell’acquifero impostato nelle arenarie del Trias
inferiore.
È previsto un periodo di tre mesi a Tunisi presso uno dei partner del progetto (OSS) per
l’applicazione della modellistica idro-geologica sull’acquifero Inféro-flux tramite l’utilizzo del
software MOD FLOW.
5)Bibliografia
Arras C., 2013 – Fasi preliminari per la progettazione del sistema di ricarica artificiale
dell’acquifero alluvionale dell’Oued Biskra (Algeria). Tesi di laurea magistrale, Università degli
Studi di Cagliari. Arras C., Buttau C., Carletti A., Funedda A., Ghiglieri G., 2014a – Geological 3D model for the
design of artificial recharge facilities into the Oued Biskra inféro-flux aquifer (NE Algeria).
Congresso SGI-SIMP 2014 – Rend. Online Soc. Geol. It., Suppl. n. 1 al Vol. 31 (2014).
Arras C., Cau F., Buttau C., Carletti A., Funedda A., Ghiglieri G., 2014b – Geological modelling
for hydrogeological purposes in Oum Zessar area (SE Tunisia). Congresso SGI-SIMP 2014 – Rend.
Online Soc. Geol. It., Suppl. n. 1 al Vol. 31 (2014).
AA.VV, 1980 – Notice explicative de la Carte Hydrogeologique de Biskra au 1/200.000. Ministere
de l’Hydraulique Algerienne Ghiglieri G., Baba Sy MO., Yahyaou H., Ouessar M., Ouldamara A., Soler Gil A., Arras C.,
Barbieri M., Belkheiri O., Zaied MB., Buttau C., Carletti A., Da Pelo S., Dodo D., Funedda A.,
Iocola I, Meftah E., Mokh F., Nagaz K., Melis MT., Pittalis D., Said M., Sghaier M., Torrentó C.,
Virdis S., Zahrouna A., Enne G., 2014. – Design of artificial aquifer recharge systems in dry
regions of Maghreb (North Africa). Flowpath 2014 – National Meeting on Hydrogeology, 144-145.
ISBN 978-88-907553-4-7
NRMMC-EPHC-NHMRC, 2009 – Australian Guidelines for Water Recycling – Managed Aquifer
Recharge. National Water Quality Management Strategy, Document No 24 – July 2009.
Yahyaoui H., 2007 – Nappe de Gres du Trias de Sahel el-Ababsa de Medenine. Aspect
hydrogeologique et proposition d’une gestion durable. Republique Tunisienne – Ministere de
l’agriculture et Ressources Hydrauliques. Direction Génerale des Ressources en Eau. 6) Elenco dei crediti maturati nel primo anno
Assistenza Tesi di Laurea Magistrale (6 CFR)
Corso di Laurea Magistrale: Scienze e Tecnologie Geologiche, A.A. 2013/2014
Laureando: Cau Fabio – Relatore: Prof. Giorgio Ghiglieri
Titolo Tesi: Fasi preliminari per la progettazione del sistema di ricarica artificiale dell’acquifero del Trias dell’Oum
Zessar (Tunisia).
Tutoraggio Universitario (2 CFR)
Corso di Laurea triennale: Scienze Geologiche, A.A. 2014/2015
Corso: Geologia Applicata – III anno, I semestre – Responsabile: Dott.ssa Stefania Da Pelo
Durata: 15 ore (in svolgimento)
Partecipazione a Congresso Internazionale (2,4 CFR)
Titolo: The future of THE ITALIAN GEOSCIENCES of the future
Società organizzatrice: Congresso Congiunto SGI-SIMP – Milano, 10-12 Settembre 2014.
Allegato 1: Attestato di partecipazione
Presentazioni a Congresso Internazionale (8 CFR)
Congresso: Congiunto SGI-SIMP – Milano, 10-12 Settembre 2014
Presentazione Poster: Geological modelling for hydro-geological purposes in Oum Zessar area (SE Tunisia)
Presentazione Orale: Geological 3D model for the design of artificial recharge facilities into the Oued Biskra inféroflux aquifer (NE Algeria)
Allegato 2: Programma, con indicazione del presentatore
Abstract a congressi
Titolo: Design of artificial aquifer recharge systems in dry regions of Maghreb (North Africa).
Congresso: Flowpath 2014 – National Meeting on Hydrogeology – Viterbo, 18-20 Giugno 2014
Allegato 3: pagina dall’abstract book.
Titolo: Geological 3D model for the design of artificial recharge facilities into the Oued Biskra inféro-flux aquifer (NE
Algeria)
Congresso: SGI-SIMP – Milano, 10-12 Settembre 2014
Allegato 4: pagina dall’abstract book.
Titolo: Geological modelling for hydro-geological purposes in Oum Zessar area (SE Tunisia)
Congresso: SGI-SIMP – Milano, 10-12 Settembre 2014
Allegato 5: pagina dall’abstract book.
Corsi Mutuati da Corsi di Laurea Magistrali (6 CFR)
Corso di laurea: Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio, A.A. 2013/2014
Corso: 70/LM-0050 - Idrogeologia – II anno, II semestre – Responsabile: Prof. Gabriele Uras
Durata: 60 ore
Corsi Interni
Corso: Short Course “Fundamental and Advanced Topics in Hydrogeology and Hydrological Simulation” – 21-25
Luglio 2014
Dottorato di Ricerca in: Ingegneria del Territorio
Responsabile: Prof. Claudio Paniconi – Prof. Roberto Deidda – Durata: 32 ore
Corso: GIScience – 5-12 Maggio 2014
Dottorato di Ricerca in: Scienze e Tecnologie della Terra e dell’Ambiente
Responsabile: Prof. Michele Campagna – Durata: 20 ore
Corsi di Lingua
Lingua: Inglese B1 – Sede: CLA Cagliari
Allegato 7: Attestato di frequenza e profitto