Integrazione del modello concettuale e sviluppo di un preliminare modello numerico di flusso del sistema acquifero di Pianosa (Arcipelago Toscano)

Lo scopo principale di questa Tesi è stato quello di realizzare un modello matematico di flusso del sistema acquifero dell’Isola di Pianosa, basato su un modello concettuale definito con un approccio multidisciplinare, geologico, geofisico, idrogeologico e geochimico-isotopico. Lo sviluppo del modello concettuale ha previsto una elaborazione d’insieme di dati derivanti da studi pregressi e di quelli ottenuti nel corso della presente Tesi con una campagna (Marzo 2018) di misure piezometriche e dei parametri fisico-chimici, campionamento delle acque e realizzazione di un lisimetro. L’interpretazione dell’assetto idrostrutturale del sistema è stata eseguita integrando dati stratigrafici di pozzo disponibili con la cartografia esistente e risultati di una campagna geofisica precedentemente svolta sull’isola (Ottobre 2015). Da un punto di vista idrodinamico, sono stati ottenuti valori di porosità efficace della parte più superficiale del sistema mediante l’analisi granulometrica di campioni di terreno, elaborate mappe piezometriche ed interpretato dati esistenti di prove di emungimento. L’elaborazione di mappe conducimetriche e di diagrammi con dati geochimici ed isotopici delle acque sotterranee e di pioggia ha permesso di individuare le generali modalità di ricarica dell’acquifero e valutare i processi che interessano le acque sotterranee, con particolare riferimento al loro mescolamento con acqua di mare. I quantitativi d’infiltrazione efficace nel sistema sono stati stimati integrando i dati sperimentali del lisimetro con l’approccio empirico del bilancio di Thornthwaite, per il quale sono stati usati dati di precipitazione e temperatura raccolti con apposita strumentazione installata da tempo sull’isola. Le uscite dal sistema per emungimenti sono state ricavate conoscendo i tassi ed i tempi di pompaggio del pozzo profondo PN3, unico attivo sull’isola. Sulla base del modello concettuale, attraverso il codice MODFLOW, è stato sviluppato un modello numerico di flusso in regime stazionario, il quale ha previsto una serie di operazioni svolte tramite interfaccia grafica Visual MODFLOW. La fase di implementazione ha riguardato una discretizzazione spaziale del dominio, un’attribuzione delle proprietà idrauliche dell’acquifero e una definizione delle condizioni iniziali e al contorno. Il modello è stato poi calibrato con un metodo manuale “trial and error” al fine di migliorare la rappresentatività del modello. Il modello realizzato in generale presenta una buona affidabilità e va a confermare in gran parte il modello concettuale delineato. I risultati hanno tuttavia evidenziato aspetti (in parte noti) che presentano lacune conoscitive e quindi da investigare ulteriormente. Il modello sviluppato è stato successivamente utilizzato come strumento per simulare possibili scenari futuri. In particolare, nel primo scenario è stato messo in emungimento il pozzo profondo PN4 in alternativa al PN3 mantenendo la stessa portata di emungimento; nel secondo scenario sono state raddoppiate le portate emunte dal PN3; mentre, nel terzo scenario, l’infiltrazione efficace è stata diminuita del 30%. I primi 2 scenari sembrano evidenziare un lieve aumento del fenomeno dell’intrusione marina, seppur di limitata entità, mentre il terzo scenario indica un aumento sostanziale dell’intrusione marina, andando quindi a confermare la forte dipendenza del sistema acquifero ai cambiamenti del regime pluviometrico. The main purpose of this thesis was to realize a groundwater flow model of the Pianosa Island aquifer system based on a conceptual model defined with a geological-stratigraphic, geophysical, hydrogeological and geochemical-isotopic multidisciplinary approach. The development of the conceptual model involved an elaboration of literature data and those collected during the survey performed during this thesis (March 2018). In particular, the new data collected during the sampling survey regard groundwater levels, physical and chemical parameters, and sampling of groundwater for geochemical and isotopic analyses. In the same survey a lysimeter was realized. Stratigraphic data, layering measures and results of a geophysical campaign previously carried out on the island (October 2015) were analyzed for the geometrical reconstruction of the aquifer system. From a hydrodynamic point of view, granulometric analyses of soil samples collected in the past allowed to obtain the effective porosity of the shallow part of the system. Furthermore, piezometric maps and data from pumping test were elaborated. The elaboration of electric conductivity maps and geochemical-isotopic diagrams of groundwater and rainwater allowed to identify the recharge component of the aquifer system and to evaluate the processes that affect groundwater, with particular reference to sea water mixing. The effective infiltration in the system were estimated by integrating the experimental data of the lysimeter with the Thornthwaite budget empirical approach. The precipitation and temperature data used in the Thornthwaite method were collected by appropriate instrumentation installed on the island. The outputs from the aquifer system occur also trough the only active pumping well of the island (PN3). The total annual withdrawal was estimated on the basis of pumping rates and pumping times. Based on developed conceptual model, a steady-state flow model was developed through the MODFLOW code and Visual MODFLOW like graphical user interface. The implementation phase involved the spatial discretization of the domain, the attribution of hydraulic parameters to the cell, the assignation of initial head and boundary conditions. For the calibration phase, the model was calibrated with a manual “trial and error” method. The model produced has a good reliability and largely confirms the outlined conceptual model. However, the results of the model point to some knowledge gaps which will need to be further investigated. Subsequently, the calibrated flow model was used to simulate forecasting scenarios. In particular, in the first scenario the deep well PN4 was activated as an alternative to PN3 with the same flow rate; in the second scenario, the flows rate of PN3 was doubled; while, in the third scenario, the effective infiltration was decreased by 30%. The first 2 scenarios indicate a slight increase in marine intrusion, while the third scenario indicates a significant increase in the phenomenon of marine intrusion, thus confirming the strong dependence of the aquifer system on changes in rainfall regime