Impatto della distribuzione spaziale di geomateriali sulla connettività di acquiferi naturali

In this work, we analyze the effect of different approaches for the reconstruction of the spatial distribution of geomaterials on the hydraulic properties of natural aquifers. Specifically, two techniques for lithotype (facies) reconstruction were considered, respectively based on: (1) indicator kriging and (2) transition probabilities (Markovian approach). A comprehensive literature review has been performed to support each phase of the work, from geostatistical simulations to the comparison of the results obtained, through the convergence of solutions derived from flow numerical simulations. The work is developed within the EU-funded WE-NEED (WatEr NEEDs, availability, quality, and sustainability) project and the Italian Ministry of Education, University and Research, aiming at the development of policies for the sustainable management of water resources. The analysis was applied to the Bologna’s aquifer system in order to evaluate possible advantages in the characterization of geological heterogeneity provided by a Markovian approach compared to a Gaussian-indicators approach. Through these models, it was possible to reconstruct the internal architecture of the aquifer system in probabilistic terms within a Monte Carlo (MC) framework. The hydraulic conductivity of each geomaterial within each MC simulation has been calibrated considering the available water table data and using a technique based on Maximum Likelihood Estimation (MLE). In order to compare the results obtained from the different approaches for the simulation of spatial distribution of lythotypes, we characterize the spatial variability of the generated fields by computing indicator variograms, transition probabilities, and indices of the degree of connection of each facies. For the latter, 12 connectivity indices have been identified to be able to provide an exhaustive characterization of the system analysed.

In questo elaborato si e’ analizzato l’effetto di una diversa ricostruzione della distribuzione spaziale dei geomateriali sulle proprieta’ idrauliche dei sistemi acquiferi naturali. Nello specifico si sono considerate le seguenti due tecniche di ricostruzione dei litotipi (o facies) basate su (1) kriging ad indicatori e (2) probabilita’ di transizione. Un’ampia revisione critica della bibliografia esistente e’ stata redatta al fine di dettagliare e motivare ogni fase legata al lavoro svolto: dalla simulazione geostatistica al confronto dei risultati ottenuti passando attraverso la convergenza delle soluzioni derivanti dalle simulazioni di flusso. Il lavoro si sviluppa all’interno del progetto WE-NEED (WatEr NEEDs, availability, quality and sustainability) finanziato dall’Unione Europea e dal Ministero Italiano dell’Istruzione, dell’Universita’ e della Ricerca avente come scopo lo sviluppo di politiche di gestione sostenibili delle risorse idriche sotterranee. L’analisi e’ stata applicata al sistema acquifero di Bologna allo scopo di valutare i possibili vantaggi portati da un approccio Markoviano rispetto ad un approccio Gaussiano ad indicatori nella caratterizzazione dell’eterogeneita’ geologica. Tramite tali modelli e’ stato possibile ricostruire l’architettura interna del sistema acquifero in termini probabilistici mediante un approccio Monte Carlo, MC. La conducibilita’ idraulica di ogni geomateriale all’interno di ogni simulazione MC e’ stata calibrata considerando i dati piezometrici disponibili ed utilizzando una tecnica basata sulla Massima Verosimiglianza. Al fine di poter confrontare i risultati ottenuti dalle due differenti metodologie di generazione della distribuzione dei geomateriali si e’ analizzata la variabilita’ spaziale dei campi generati tramite l’utilizzo di variogrammi ad indicatori, di probabilita’ di transizione e di indicatori del grado di connessione delle facies. In particolare, sono stati individuati 12 indicatori in grado di fornire una esaustiva caratterizzazione del sistema analizzato.