Aquifer characterization at field scale under architecture and model uncertainty

The aim of this thesis is to test the applicability of two strategies, namely Composite and Overlapping continua Medium, to identify the key parameters affecting the dynamics of the subsurface at the field scale. The field site here considered is located in the Cremona region in the north of Italy. The first step accomplished during this thesis has been the composition and analysis of an exhaustive dataset, describing the features of the study area. The lithological reconstruction of the study area has been performed clustering the geomaterials into five classes: silt and clay, sand, gravel, compact conglomerates and fractured conglomerates. Three different techniques have been implemented to reconstruct the spatial distribution of geomaterials: (1) The Composite Medium approach where each cell in which the aquifer is subdivided in formed by one single geomaterial, and the Overlapping Continua approach, where each cell of the domain is considered to be formed by a percentage of the 5 geomaterials and the overall conductivity is computed as a weighted (2) arithmetic or (3) geometric average of the conductivity of each geomaterial. For each of these three methods, two sensitivity analysis have been used to study the effect of each (and joint) parameter uncertainty on the uncertainty of model outputs. This analysis allows to select the key quantities (including parameters of the system and boundary conditions) that need to be accurately estimated for a reliable representation of the aquifer system. Then each selected model have been calibrated within a Maximum Likelihood approach considering only the key parameters affecting the system. Finally, we employ model validation criteria to select (or rank) amongst models.

Questo progetto di tesi si sviluppa all’interno del progetto WE-NEED (WatEr NEEDs, availability, quality and sustainability, www.we-need.polimi.it), finanziato dall’Unione Europea e dal Ministero Italiano dell’istruzione, dell’Università e della Ricerca (Water Joint Programming Initiative, 2015 Joint Call WaterWorks2014). WE-NEED ha lo scopo di sviluppare nuove strategie per l’uso sostenibile della risorsa idrica sotterranea. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare l’influenza di diversi parametri in un modello di flusso delle acque sotterranee per un acquifero localizzato nella zona tra le provincie di Cremona e Bergamo. Questa regione è stata scelta come oggetto di studio in quanto caratterizzata dalla presenza dei cosiddetti fontanili; sorgenti d’acqua naturali che rappresentano una realtà naturalistica da preservare. Queste risorgive sono a forte rischio di contaminazione e di estinzione in quest’area. Il primo passo effettuato per lo sviluppo di questo modello è stato quello della ricerca dati; un processo lungo e di rilevante importanza per l’intero svolgimento del progetto. Per la ricostruzione litologica della zona sono state individuate cinque classi di geomateriali: limi e argille, sabbia, ghiaia, conglomerati compatti e conglomerati fratturati. Con metodi geostatistici è stato possibile ricostruire la distribuzione di questi geomateriali all’intero dell’acquifero. Sono poi state utilizzate tre diverse concettualizzazioni del campo di conduttività: (1) Mezzo Composito e Mezzo a Continui multipli con media (2) aritmetica o (3) geometrica. Il Mezzo Composito consiste nel ritenere una singola cella del modello in cui l’acquifero è discretizzato occupata da un singolo geomateriale (quello in percentuale più presente nella cella stessa), mentre il metodo di Continui Multipli consiste nel considerare ogni cella costituita da piu’ geomateriali e quindi valutare la conduttività di ogni cella come media pesata (aritmetica o geometrica) delle conduttività di ogni geomateriale all’interno della cella. Ad ognuno dei tre modelli concettuali sviluppati, sono state applicate due diverse tipologie di analisi di sensitività con lo scopo di studiare quali siano i parametri del modello che maggiormente influiscono sulla distribuzione finale dei livelli piezometrici (output del modello) in corrispondenza dei punti di misura disponibili. I metodi utilizzati sono stati l’analisi basata sugli indici di Morris e di Sobol. Gli indici di Morris permettono di studiare l’influenza che hanno i singoli parametri sugli output cambiando il loro valore uno alla volta. Il metodo di Sobol considera invece la aletorietà simultanea di più parametri e l’interazione tra essi. I parametri di cui è stata studiata l’influenza sono stati i valori di conduttività idraulica assegnata alle classi di geomateriali che compongono l’acquifero e due condizioni al contorno: il flusso di acqua in ingresso dal confine Nord del modello e l’altezza dei fiumi rappresentanti i confini Est, Ovest e Sud dell’area di interesse. I risultati delle analisi di sensitività sono quindi stati utilizzati per la calibrazione delle conduttività idrauliche, considerando soltanto i parametri ritenuti più influenti dall’analisi di sensitività. La calibrazione utilizza il maximum likelihood ed è stata effettuata su 40 punti di cui erano disponibili osservazioni di carico idraulico. Si è proceduto con la calibrazione per tutte e tre le ricostruzioni litologiche e per tre diversi valori in input delle condizioni al contorno di cui, precedentemente, è stata studiata la sensitività. I valori utilizzati per queste condizioni sono stati i limiti inferiori, superiori e il centro di banda dell’intervallo utilizzato per lo studio degli indici di Morris e Sobol. Sono quindi stati calibrati un totale di 9 modelli. Questi modelli sono stati quindi confrontati tramite l’utilizzo di quattro model validation criteria. Questa analisi ha permesso di evidenziare che il modello il quale interpreta al meglio la risposta del sistema è il modello dei Continui Multipli con media aritmetica associando alle due condizioni al contorno sopra citate il valore relativo al limite superiore di banda dell’intervallo utilizzato.