Idrologia stocastica sotterranea
L’aumento della pressione antropica sull’ambiente rappresenta una minaccia per le risorse idriche naturali. Nell’ultimo secolo l’accelerazione dei processi tecnologici e industriali ha introdotto migliaia di contaminanti e sostanze pericolose nell’ambiente che trovano nella circolazione idrica un meccanismo di movimentazione preferenziale. L’introduzione di sostanze contaminanti all’interno dei sistemi idrologici determina sia la perdita della biodiversità che l’insorgere di rischi per la salute.
L’incertezza legata alla caratterizzazione dei siti contaminati, l’individuazione e lo studio dei fenomeni significativi che avvengono in essi unitamente ai costi elevati necessari per la messa in sicurezza e la bonifica richiede lo sviluppo di un adeguato apparato modellistico e lo sviluppo di nuove tecnologie che tengano complessità dei sistemi idraulici ambientali.
Caratterizzazione di mezzi eterogenei
Il processo di caratterizzazione del mezzo in cui avvengono i processi idrologici è parte integrante del processo di modellazione stesso e richiede l’utilizzo di tecnologie all’avanguardia per la misura e di adeguati modelli per l’interpretazione dei dati, che tengano conto dell’incertezza associata alle misure oltre che della caratteristica eterogeneità dei mezzi naturali. HyAware Lab si occupa dello sviluppo di metodologie innovative per la caratterizzazione geostatistica dei siti.
Analisi geostatistica
Gli acquiferi e le formazioni naturali sono intrinsecamente eterogenei e mostrano una complessa variabilità spaziale delle proprietà idrauliche. In figura è riportato un esempio di analisi geostatistica dei dati di conducibilità idraulica (K), al sito sperimentale MacroDispersion Experiment (MADE), finalizzata a fornirne una descrizione probabilistica per la modellazione del trasporto. (figura da: DOI: 10.1016/j.jconhyd.2015.05.004)
Analisi geostatistica (2)
Durante l’analisi dei dati rilevati in situ può essere osservato una dipendenza dei parametri dalla scala; questo comportamento può essere correlato alla all’impostazione della campagna misura. In figura è mostrata l’analisi della variabilità spaziale dell’umidità del suolo (SDS): nelle statistiche è introdotta una distorsione del parametro legata all’estensione del dominio campionato. La sottostima della reale variabilità del parametro può essere molto significativa, la quantificazione di questa distorsione è di fondamentale importanza nell’analisi dei dati e nelle procedure di calibrazione. (figura da: DOI:10.1002/2017WR021304)
Identificazione dei processi di trasporto nel sottosuolo
Il flusso e il trasporto negli acquiferi sono caratterizzati da dinamiche fisiche complesse che richiedono tuttora una intensa attività di ricerca per la loro comprensione e modellazione. L’identificazione dei meccanismi alla base di tali fenomeni ha subito un enorme sviluppo negli ultimi decenni con l’introduzione di nuovo paradigma: l’eterogeneità ha un impatto cruciale sul flusso e sul trasporto negli acquiferi e nella zona vadosa, e rappresenta pertanto un elemento imprescindibile nella modellazione.
La ricerca del laboratorio HyAware mira ad estendere la comprensione teorica degli effetti dell’eterogeneità degli acquiferi sulle dinamiche che avvengono in essi. Lo studio sviluppato nel campo dell’idrologia stocastica sotterranea affronta le maggiori sfide di questo settore di ricerca, come la relazione tra le strutture del mezzo e le proprietà del flusso e del traporto, la determinazione della dispersione, gli effetti non ergodici e la presenza di trasporto anomalo.
Processi di dispersione nei mezzi naturali
La concentrazione di soluto, in una data posizione del campo di moto, dipende dall’interazione di diversi fenomeni di trasporto. Mentre alla scala dei pori (L=10-2m) la diffusione e la dispersione idrodinamica prevalgono, alla scala locale (10
Trasporto nei versanti
L’età dell’acqua e il tempo di residenza sono parametri chiave nella descrizione dei sistemi idrologici poiché forniscono informazioni sui fenomeni naturali. In figura lo schema di un modello sviluppato dall’HyAware Lab: Il modello accoppia la hillslope Boussinesq equation e la age equation al fine di fornire una descrizione fisicamente basata dell’età dell’acqua. Attraverso questo modello, è possibile esplorare gli effetti delle variabili idrologiche e topografici sull’età dell’acqua all’uscita del pendio. (figura da: DOI: 10.1002/hyp.13755).
Modelli stocastici per il flusso e il trasporto di contaminanti nel sottosuolo
A causa delle limitate risorse tecniche ed economiche, la caratterizzazione diretta dello stato di contaminazione delle acque sotterranee è incompleta: i dati misurati sul campo molto spesso esplorano solo porzioni limitate del dominio e nascondono la reale estensione della contaminazione. La previsione dei plume di contaminante è inoltre di importanza strategica nella protezione delle riserve di acqua naturale e nella scelta dei sistemi di bonifica di siti contaminati. L’HyAware Lab contribuisce costantemente allo sviluppo di modelli bottom-up fisicamente basati per la simulazione del processo di trasporto che trovano applicazione sia nella previsione della contaminazione che nella valutazione dell’efficacia delle differenti strategie di bonifica.
Sviluppo di modelli innovativi per il trasporto di soluti nel sottosuolo
L’innovativa concettualizzazione dei mezzi eterogenei chiamato Multi Indicator Model (MIM) ha permesso lo studio delle formazioni eterogenee. In questo modello, le formazioni geologiche disordinate sono rappresentate come un insieme di inclusioni idraulicamente eterogenee immerse in matrice. I risultati ottenuti tramite il MIM hanno consentito lo studio e un’interpretazione innovativa del trasporto anomalo osservato nei siti sperimentali. (figura da: DOI: 10.1029/2002WR001717)
Analisi critica degli approcci modellistici
In figura è riprodotta l’analisi della distribuzione di massa nello spazio di un soluto non reattivo al MAcroDispersion Experiment (MADE) site. In particolare è riportato il confronto tra i risultati sperimentali (in nero) e le previsioni effettuate tramite il modello MIM-SCA (in blu) per le sei campagne di campionamento dell’esperimento MADE-1. Il modello analitico MIM-SCA permette la stima della distribuzione di contaminante o delle curve di concentrazione in formazioni estremamente eterogenee, a partire dalle proprietà geostatistiche del sito senza la calibrazione dei parametri e con un impegno computazionale limitato. (DOI: 10.1002/wrcr.20128).
Rischio per la salute
Il ciclo dell’acqua costituisce un veicolo preferenziale per il trasferimento di sostanze pericolose. L’utilizzo di acque contaminate o soggette a contaminazione potenziale determina l’insorgere del rischio sanitario sulle popolazioni esposte. L’attività del laboratorio HyAware Lab include lo sviluppo di metodologie per la valutazione del rischio per la salute, basate su un approccio multidisciplinare, che determinano le diverse componenti del rischio, la pericolosità, l’esposizione e la vulnerabilità umana. Modelli idrologici, biologici e medici sono parte integrante di un’unica procedura finalizza alla valutazione del rischio e alla quantificazione dell’incertezza associata a tale valutazione.
A sinistra l’esempio di una tipica catena di propagazione del rischio: il contaminante rilasciato in superficie, dopo aver raggiunto la falda, si muove attraverso l’acquifero fino ad una punto sensibile, ad esempio una captazione a servizio di un acquedotto, che trasferisce il rischio ad una popolazione esposta. Nel pannello di destra la stima della distribuzione di probabilità del rischio sanitario in funzione della posizione del sistema di captazione. La quantificazione dell’incertezza della stima dei valori di rischio costituisce un’informazione fondamentale per una comprensiva valutazione del rischio. (figura da: DOI: 10.1016/j.jhydrol.2016.07.044)
Gestione del rischio
Negli ultimi decenni i danni causati da eventi naturali estremi, come gli eventi di precipitazione intensa e le esondazioni dei corsi d’acqua, hanno subito un forte incremento principalmente a causa della crescente pressione antropica sul territorio. Diventa sempre più urgente disporre di strumenti efficaci per la gestione e la mitigazione del rischio indotto dal verificarsi di questi eventi naturali, potenzialmente catastrofici, e dall’esposizione e dalla vulnerabilità del territorio. Il contributo di HyAware in questo ambito di ricerca è costituito dallo sviluppo di metodi semplici e parsimoniosi, ma al tempo stesso efficaci, per l’analisi idrologica-idraulica del rischio e per la valutazione di opportune strategie di mitigazione in un quadro di incertezza conoscitiva.
Sviluppo di strumenti statistici per l’analisi e la quantificazione del rischio
Nella progettazione di strutture idrauliche destinate al controllo delle acque usualmente si fa riferimento al rischio di insufficienze dell’opera. Il rischio legato all’insufficienza dell’opera viene valutato tenendo conto (i) della probabilità del verificarsi di un evento estremo che determina l’insufficienza dell’opera stessa, (ii) dell’impatto che tale insufficienza può provocare in termini di danno (rischio). I metodi standard di progetto assumono per semplicità che la forzante idrologica sia rappresentata da un’unica variabile, come ad esempio il picco di portata, spesso trascurando la complessità del fenomeno. Un processo di progettazione consapevole ed efficiente richiede generalmente una simulazione idrologica-idraulica integrata, che tenga conto della variabilità della forzante (ad esempio tramite metodi statistici multivariati) e includa l’interazione fra la forzante idrologica e la struttura.
Approccio multivariato alla progettazione delle opere idrauliche
Le figure mostrano il caso particolare del progetto di una cassa di espansione con un approccio bivariato. Il carico idrologico è rappresentato non più da una singola variabile, ma dalla una coppia (i) picco e (ii) volume dell’idrogramma in ingresso. Il problema progettuale richiede la definizione di una “funzione di struttura” (structure-based approach), che descrive il legame tra il carico idrologico e la variabile che definisce l’insufficienza dell’opera (failure). (figura da: DOI: 10.1002/2013WR014214)