Stochastic determination of groundwater flow pathways, discharges, and well-catchments upon energy-based and geostatistical approaches

Groundwater pathways play a key role in subsurface flow and transport patterns. In surface hydrology, the hydrological network is usually retrieved upon elevation data (i.e. the terrain surface) upon energy-based methodologies. Groundwater flow is conveyed, as well, within a drainage network that develops through highly permeable pathways, conveying most of the discharge, throughout alluvial aquifers. However, heterogeneous groundwater systems can be investigated properly only if considering the multiplicity of uncertainty sources (geological, hydrological, and numerical) which reference quantities are usually involved in numerical models (e.g. the conceptualization of layers or conductivity fields). Once a groundwater system is well conceptualized and modeled, well catchments can be delineated to assess the areas of intake of potable drinking water, which is one of the major purposes of hydrogeological models. This Thesis spans through all these topics, each one discussed in a different Chapter. The theoretical approach of Preferential Groundwater Networks is proposed as a novelty in the field to shed light in determining “where water goes” only using elevation data (of aquifer bottom). Furthermore, an improvement of this methodology is then offered and the consistency of results is discussed as well. Preferential pathways through permeable soil areas can also be delineated upon geological data and through geostatistical methodologies. Furthermore, groundwater discharges can be quantified in a stochastic way by considering multiple uncertainties, such as geological and numerical ones. At the end, a novel methodology to delineate probabilistic well catchments upon an energy-based framework is presented. These methodologies represent novel and useful tools for the understanding, modeling, and management of groundwater resources, as well as scientific advancements in the field of groundwater hydrology.

I percorsi delle acque sotterranee svolgono un ruolo chiave nei flussi sotterranei e nei modelli di trasporto. Nell'idrologia superficiale, la rete idrologica viene solitamente modellata sui dati di elevazione centrati sul concetto di energia potenziale. Il deflusso delle acque sotterranee viene invece convogliato all'interno di una rete drenante che si sviluppa attraverso percorsi altamente permeabili, che convogliano la maggior parte delle portate, attraverso gli acquiferi alluvionali. Tuttavia, i sistemi idrici sotterranei eterogenei possono essere studiati adeguatamente solo se si considera la molteplicità delle fonti di incertezza (geologiche, idrologiche e numeriche) le cui grandezze di riferimento sono solitamente coinvolte nei modelli numerici (ad esempio la concettualizzazione di unità idrogeologiche o campi di conduttività). Una volta che un sistema di circolazione idraulica sotterranea è ben concettualizzato e modellato, è possibile delineare i bacini di cattura dei pozzi emungenti per valutare le aree di emungimento di acqua potabile. Questa tesi abbraccia tutti questi argomenti, ciascuno discusso in un capitolo diverso. L'approccio teorico dei Preferential Groundwater Networks si propone come una novità nel campo per far luce nel determinare “dove va l'acqua” utilizzando solo i dati di elevazione del fondo del corpo acquifero. Inoltre, viene poi offerto un miglioramento di questa metodologia e viene discussa anche la coerenza dei risultati con varie fonti di informazione idrogeologica e stratigrafica. I percorsi preferenziali attraverso aree di suolo permeabili possono essere delineati anche sulla base di dati geologici e attraverso metodologie geostatistiche. Inoltre, le portate sotterranee possono essere quantificate con approccio probabilistico considerando molteplici incertezze, come quelle geologiche e numeriche. Alla fine, viene presentata una nuova metodologia per delineare i bacini di cattura dei pozzi in un quadro basato sull'energia da un punto di vista stocastico. Queste metodologie rappresentano strumenti nuovi e utili per la comprensione, la modellazione e la gestione delle risorse idriche sotterranee, nonché progressi scientifici nel campo dell'idrologia delle acque sotterranee.