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Riassunto
La salvaguardia e la tutela delle risorse idriche costituisce una delle principali questioni ambientali del programma di lavoro della Commissione europea. La procedura di valutazione del “buono stato chimico” delle acque sotterranee indicata dalla Unione Europea attraverso la direttiva acque (Water Framework Directive 2000/60/CE), prevede che vengano rispettati, per ciascuna sostanza controllata, gli standard di qualità ed i valori soglia definiti dalla normativa (D.Lgs. 30/2009 in attuazione della Direttiva 2006/118/CE). Per poter definire lo stato chimico delle acque sotterranee (SCAS) ogni regione italiana si è dotata di una rete di monitoraggio costituita da pozzi che vengono sottoposti a campionamento ed analisi periodica. I dati così raccolti vengono archiviati in banche dati gestite dalle Agenzie Regionali per la Protezione Ambientale (ARPA). Tuttavia, queste banche dati sono progettate, e di conseguenza permettono, esclusivamente il confronto tra i dati chimici ottenuti e determinati indicatori decisi dal legislatore. Il solo confronto dei dati di monitoraggio con i limiti di legge non fornisce strumenti idonei per la comprensione dei processi chimici in atto e quindi per una più attenta gestione/protezione della risorsa.
Per tutelare con maggiore efficienza le risorse idriche è importante definire quali siano i processi naturali che ne determinano la composizione chimica. Quindi lo studio della qualità di un’acqua si inserisce in uno specifico contesto geologico ed idrogeologico e comprende la conoscenza dei percorsi di circolazione ed i processi di interazione acqua-matrice solida dell’acquifero. In questo contesto è utile disporre di tecniche di elaborazione che trasformino i dati archiviati nei database in informazioni che interpretino la variabilità spaziale e temporale della composizione chimica osservata.
Il primo passo nello studio dei processi evolutivi di un’acqua è classificarla in modo tale da prendere in considerazione i processi che ne determinano la composizione in termini dei costituenti ioni principali e delle loro relazioni. Questo porta alla definizione della facies idrogeochimica, ovvero del tipo chimico, di un’acqua.
Inoltre alcune tecniche statistiche come l’analisi delle serie temporali e l’analisi geostatistica possono essere degli strumenti per visualizzare e comprendere la variabilità idrochimica spaziale e temporale di un corpo idrico, e possono essere utilizzate come strumento di prevenzione e per valutare l’evoluzione della qualità di un’acqua.
Il lavoro di tesi ha preso in considerazione un archivio di dati di monitoraggio e, utilizzando tecniche geochimiche e statistiche, ha cercato di convertire i dati in informazioni sulla evoluzione dei corpi idrici in esame.
La zona di studio, svolto nell’ambito del progetto dell’Istituto di Geoscienze e Georisorse (IGG-CNR) “Studio degli impatti del cambiamento climatico sui corpi idrici sotterranei di approvvigionamento per scopi idropotabili in area torinese”, riguarda i corpi idrici sotterranei (CIS) della provincia di Torino, denominati dall’ARPA Piemonte GWB 1,2 e 3, nei quali ricadono 135 pozzi di monitoraggio di cui 77 superficiali e 58 profondi.
Il quadro stratigrafico-deposizionale del sottosuolo della regione Piemonte descritto nella letteratura scientifica riporta 4 classi fondamentali di Unità Idrogeologiche attraverso le quali Arpa Piemonte ha suddiviso l’assetto idrostratigrafico della pianura Piemontese, ponendo dei limiti di profondità ad ogni corpo acquifero. In particolare ARPA Piemonte individua un acquifero sotterraneo superficiale, fino ad 80 m di profondità, un acquifero sotterraneo profondo, fino a 300 m di profondità, e un acquifero sotterraneo molto profondo, superiore ai 300 m. L’acquifero superficiale si attesta su depositi fluviali e fluvioglaciali del Quaternario. L’acquifero profondo (fino a 300 m) è caratterizzato da le sequenze Villafranchiane e quelle Astiane.
Per quanto riguarda l’assetto idrogeologico, dai rapporti ARPA Piemonte (ARPAP) riguardanti la relazione tra precipitazioni e livello piezometrico misurato nei pozzi della rete di monitoraggio, emerge che generalmente l’acquifero superficiale risponde in maniera immediata alle precipitazioni. Inoltre, ARPA indica che il flusso delle acque sotterranee nell’area di studio risulta essere da nord-ovest a sud-est nella parte settentrionale della pianura torinese e da ovest a est nel settore meridionale. In particolare, nella pianura torinese, il deflusso delle acque sotterranee è verso il fiume Po, che sembra principalmente fungere da drenaggio del sistema acquifero.
In particolare, i dati di livello piezometrico e i dati chimici sono stati elaborati utilizzando diverse tecniche sia statistiche che geostatistiche. Inoltre sono state applicate tecniche geochimiche di data processing.
Elaborando le serie temporali dei livelli piezometrici riportati da ARPA Piemonte, appartenenti alla falda superficiale, si evince che l’andamento nella maggior parte dei piezometri mostra una discontinuità nel periodo 2007-2008 caratterizzata da un drastico calo della falda freatica, seguito da un generale aumento del livello nel periodo 2008-2009. Questo calo sembra essere collegato ad un periodo siccitoso che va dal 2003 al 2007, testimoniato dai grafici relativi alla pioggia media cumulata annua della pianura di Torino.
Per quanto riguarda lo studio geochimico delle acque, ai fini del presente lavoro di tesi, sono stati presi in considerazione gli ioni maggiori, alcuni metalli e metalloidi potenzialmente tossici e le specie azotate. In primo luogo, si è verificata la qualità analitica dei dati. Successivamente sono state riconosciute le facies idrochimiche, tramite i diagrammi di Langelier e Ludwing (LL) e i diagrammi triangolari, separando la falda profonda da quella superficiale. È emerso che la maggior parte delle acque risulta essere del tipo bicarbonato-alcalino terrosa. Per quanto riguarda i cationi maggiori, Ca2+ risulta essere il catione dominante nelle acque di quasi tutti i pozzi. In questa omogeneità composizionale, è stato valutato il rapporto Ca/Mg. Nelle acque superficiali, si denota una prevalenza di Ca rispetto a Mg, mentre nelle profonde c’è un sostanziale equilibrio. Questa differenziazione nel rapporto Ca/Mg dell’acquifero profondo è stata oggetto di analisi variografica che ha mostrato una differenziazione anche nella distribuzione spaziale delle acque. Le acque bicarbonato calciche occupano la parte meridionale dell’area studiata, mentre quelle con Mg dominate si localizzano nella parte settentrionale. Successivamente è stata indagata la stabilità temporale delle facies idrochimiche ed è stato evidenziato che le acque superficiali presentano una maggiore variabilità composizionale temporale rispetto a quelle profonde. Questa caratteristica è il risultato di una serie di processi, fra i quali l’interazione con le acque di scorrimento superficiale, la stagionalità e la presenza di input di origine antropica. Ulteriori considerazioni sono state fatte utilizzando le specie azotate, generalmente legate alle attività antropiche, in particolare i contenuti in NO3. Esaminando i rapporti Cl/NO3 è stato possibile riconoscere una correlazione positiva tra le due specie chimiche esaminate.
In sintesi i rapporti tra le specie ioniche principali hanno messo in luce la presenza di due possibili componenti, una di tipo bicarbonato alcalino terrosa legata con diverso grado a fenomeni di interazione acqua-roccia, un’altra di tipo clorurato correlata ai nitrati, nella quale si riconoscono effetti legati alle attività antropiche, probabilmente associate a pratiche agricole.
L’utilizzo delle tecniche della statistica multivariata (analisi delle componenti principali (PCA) e la Cluster Analysis) hanno confermato tali componenti. Inoltre l’analisi variografica e l’uso del metodo d’interpolazione del kriging ha permesso la costruzione di mappe di iso-concentrazione dei cloruri e dei nitrati con relativa mappa dell’errore, valutato come deviazione standard sulla stima. Nelle mappe si distinguono chiaramente due aree: la parte meridionale dell’area investigata presenta una maggiore concentrazione relativa di cloruri e nitrati rispetto alla zona settentrionale. Inoltre nella zona meridionale sono distinguibili tre aree caratterizzate da concentrazioni relativamente più alte, una a S-E nei pressi del comune di Scalenghe, l’altra a S-O nei pressi di Poirino e la terza nei pressi di Grugliasco. Sebbene i valori di concentrazione degli analiti considerati nella maggior parte di queste acque siano al di sotto delle soglie di concentrazione previste dalla normativa, l’elaborazione dei dati ha messo in evidenza una differenziazione tra l’area meridionale e settentrionale della zona studiata interpretabile come una diversa vulnerabilità dei corpi idrici . Questa differenziazione infatti può essere interpretata come presenza di maggiori impatti antropici, che possono portare ad un’evoluzione verso una scarsa qualità delle acque, non leggibile dal solo confronto tabellare.
Per alcuni metalli pesanti (CrVI, Crtot, Fe, Mn, Zn, Cu e Ni) è stata tentata una prima valutazione dei valori di fondo che partendo dallo studio della distribuzione di frequenza ha portato alla valutazione dei valori di fondo espressi come l’Upper Tollerance Limit (UTL). I valori UTL sono stati successivamente confrontati con le concentrazioni soglia di contaminazione imposte dalla legge (CSC). Da questo confronto è emerso che, per alcuni metalli pesanti, l’UTL è maggiore delle CSC. Questo risultato è un dato estremamente importante per valutare le aree potenzialmente caratterizzate da contaminazione diffusa.
Inoltre è stata eseguita una analisi statistica delle serie temporali per quelle specie chimiche rappresentative della componente “antropica” presente nelle acque sotterranee. I risultati delle analisi delle serie temporali relativa ai cloruri e ai nitrati, ha evidenziato la presenza di trend statisticamente significativi crescenti in alcune area della pianura torinese. In particolare sono stati individuati, nelle zone del comune di Scalenghe e del comune di Rivoli, trend crescenti in nitrati e cloruri che arrivano a interessare anche la falda profonda. Per queste zone sono possibili due ipotesi: o esiste una connessione tra le due falde dovuta alla mancanza di uno strato impermeabile tra i due acquiferi o è stato realizzato uno scorretto condizionamento dei pozzi in questione.
Infine sono stati confrontati gli andamenti dei livelli piezometrici con i regimi pluviometrici e con le concentrazioni in nitrati. Questo confronto ha evidenziato come l’andamento dei nitrati segua quello dei livelli piezometrici, presentando nel periodo 2007-2008 un drastico calo della concentrazione, seguito da un generale aumento nel periodo 2008-2009. Pertanto, si può ipotizzare una possibile mobilitazione della salinità e dei nutrienti accumulati nella zona insatura durante i periodi di magra.
Tutte le informazioni sul quadro conoscitivo del sistema investigato hanno permesso di identificare alcune zone dove i corpi idrici si mostrano più vulnerabili alle attività antropiche e l’alta sensibilità dell’acquifero superficiale alle condizioni idroclimatiche.
Dai risultati ottenuti attraverso il presente lavoro di tesi è possibile concludere che la sinergia tra tecniche di elaborazione geochimica e tecniche statistiche ha dimostrato come sia possibile ottenere informazioni utili anche partendo da una base di dati nati per scopi diversi. Inoltre utilizzando queste tecniche è possibile valutare quali possono essere i processi di contaminazione in atto e stimarne l’evoluzione. Ovviamente per andare a dettagliare meglio i processi contaminativi ipotizzati le zone risultate più vulnerabili dovranno essere oggetto di studi mirati che dovranno comprendere non solo l’analisi chimica ma anche quella isotopica e un maggiore dettaglio nella ricostruzione delle caratteristiche stratigrafiche e idrogeologiche dell’acquiferi.

Abstract
The safeguard and protection of groundwater is one of the main environmental issues in the European Commission's work program. The procedure for assessing the "good chemical status" of groundwater indicated by the European Union through the Water Framework Directive 2000/60/EC requires that, for each controlled substance, the quality standards and threshold values defined by the Regulation (Legislative Decree 30/2009) be respected. In order to define the chemical status of groundwater, each Italian region has a monitoring network consisting of wells that are subjected to periodic sampling and analysis. The data collected are stored in databases managed by the Regional Agencies for Environmental Protection (ARPA). However, these databases are designed and, consequently, allow only the comparison between the chemical data obtained and the indicators decided by the legislator. However, the mere comparison of the monitoring data with the limits of the law does not provide suitable tools from a geochemical point of view in order to understand the chemical processes in place and therefore a more careful management/protection of the resource.
In order to protect water resources more efficiently, it is important to understand the natural processes that determine their chemical composition. In this case, the study of the quality of a water is intertwined with its geochemical evolution in the ecosystem and includes the knowledge of its circulation pathways in the subsoil and the role of water-solid heterogeneous reactions. In this case, it is useful to have elaboration techniques that transform the data stored in the databases into information that interprets the spatial and temporal variability of the observed chemical composition.
Therefore, the first step to decode the history of a water is to classify it in such a way as to take into account the processes that determine its composition and then using the relationships between the main ionic species. The knowledge of these ratios drives the recognition of the hydrogeochemical facies, or water-type, as a first key of interpretation by which it is possible to understand the origin and evolution of a water body. In addition, some statistical techniques such as time series analysis and geostatistical analysis can be tools to visualize and understand the spatial and temporal hydrochemical variability of a water body and can be used both as a forecast tool and to assess the evolution of water quality.
This Thesis takes into account a database of monitoring data and, using geochemical and statistical techniques, sought to convert the data into information on the geological history of the water bodies under investigation. The study area concerns the groundwater of the province of Turin, called by ARPA Piemonte GWB 1, 2 and 3, in which there are 135 monitoring wells, 77 of which are surface wells and 58 deep wells. This study has been carried out in the framework of the project "Study of the impacts of climate change on bodies of groundwater supply for drinking water purposes in the Turin area" of the Institute of Geosciences and Earth Science (IGG-CNR).
The stratigraphic-depositional context of the subsoil of the Piemonte Region reported in the scientific literature contains 4 fundamental classes of Hydrogeological Units through which Arpa Piemonte has divided the hydrostatic structure of the Piedmont plain, defining the limits of depth to each aquifers. In particular, ARPA Piemonte identifies a superficial aquifer: up to 80 m depth, an deep aquifer, up to 300 m depth, and a very deep aquifer, over 300 m depth. The surface aquifer is located on fluvial and fluvioglacial deposits of the Quaternary. The deep aquifer (up to 300 m) is characterized by the sequences Villafranchiane and Astiane.
For what the hydrogeological structure is concerning, ARPA Piemonte (ARPAP) reports a close relationship between rainfall and piezometric level, and claims that the surface aquifer responds immediately to precipitation. Moreover, ARPA indicates that the groundwater flow in the study area is from north-west to south-east in the northern part of the Turin plain and from west to east in the southern sector. In particular, in the Turin plain, the outflow of groundwater is towards the Po river, which seems to mainly act as drainage of the aquifer system.
The monitoring data carried out by ARPA Piemonte on groundwater have been the object of this thesis. In particular, the piezometric level data and the chemical data have been processed using different statistical and geostatistical techniques. In addition, geochemical data processing techniques have been used, of course, only for geochemical data.
Time series analysis of the piezometric levels of ARPA Piemonte, related to the shallowest aquifer, highlights the presence of trend in most of the piezometers, displaying a discontinuity in the period 2007-2008 characterized by a drastic drop in the piezometric levels, followed by a general increase in the period 2008-2009. This drop seems to be linked to a dry period from 2003 to 2007, shown by the average cumulative annual rainfall of the Turin plain.
In terms of geochemistry, major ions, heavy metals and metalloids (including potentially toxic elements) and nitrogenous species were taken into account. First, the analytical quality of the data was verified by considering the principle of electroneutrality from the electrolyte theory. Hydrochemical facies were subsequently recognized using Langelier and Ludwing (LL) diagrams and triangular diagrams. Most of the water show a bicarbonate-earth alkaline facies. As far as cations is concerned, Ca is the dominant cation in almost all waters. In this compositional homogeneity, the Ca/Mg ratio was evaluated. In surface waters, there is a prevalence of Ca over Mg, while in deep waters there is a substantial balance between the two alkaline earth metals. This differentiation in the Ca/Mg ratio of the deep aquifer has been the subject of variographic analysis that has shown a differentiation also in the spatial distribution of water. The bicarbonate calcium waters occur in the southern part of the studied area, while those with dominant Mg are located in the northern part. Subsequently, the temporal stability of the hydrochemical facies was investigated and it was highlighted, that surface waters present a greater temporal compositional variability than the deep ones. This characteristic could be the result of a number of processes, including interaction with surface flow water, seasonality and the presence of anthropogenic inputs. In order to examine this potential processes Nitrogen species, in particular NO3, have been considered. By examining the Cl/NO3 ratios it is possible to recognize a positive correlation between the two chemical species examined.
In summary, the relationships between the main ionic species have highlighted the presence of two possible components, one of alkaline earthy bicarbonate type linked with different degrees to phenomena of water-rock interaction, another of chlorinated type related to nitrates, which effects related to human activities, primarily agriculture, can be recognized.
The use of multivariate statistics techniques (Principal Component Analysis-PCA and Cluster Analysis) confirmed these components. Moreover, the variographic analysis and the kriging interpolation method allowed the construction of iso-concentration maps of chlorides and nitrates with the relative error map, evaluated as standard deviation on the estimate. The maps clearly distinguish two areas: the southern part of the investigated area has a higher relative concentration of chlorides and nitrates than the northern area. Moreover, in the southern area there are three areas characterized by relatively higher concentrations, one at S-E near the municipality of Scalenghe, the other at S-O near Poirino and the third near Grugliasco. Although the values measured in most of these waters are below the concentration thresholds required by the regulations a differentiation between the southern and northern area of the studied area, have been showed by the data processing. The differences between the two areas can be interpreted as the presence of greater anthropogenic impacts, which may be subject to an evolution towards poor water quality, not readable only by comparison between tables.
For some heavy metals (CrVI, Crtot, Fe, Mn, Zn, Cu and Ni) a first evaluation of the background values was attempted. This evaluation starts from the study of the frequency distribution led to the evaluation of the background values expressed as the Upper Tolerance Limit (UTL). The UTL values were then compared with the legally required contamination threshold concentrations. This comparison showed that, for some heavy metals, the UTL is higher than threshold. This result is extremely important for assessing areas of potential diffuse contamination.
Moreover, a time series analysis was carried out for those chemical species representative of the "anthropogenic" component present in groundwater. The results of time series analysis on chlorides and nitrates showed the presence of statistically significant increasing trends in some areas of the Turin plain. In particular, in the areas of the municipalities of Scalenghe and Rivoli, increasing trends in nitrates and chlorides have been identified; these trends also affect the deep groundwater. For these areas, two hypotheses are possible: a connection between the two aquifers due to the lack of an impermeable layer or an incorrect conditioning of the sampled wells to put the two aquifers in communication.
Finally, trends in piezometric levels were compared with rainfall regimes and nitrate concentrations. This comparison showed that nitrate concentration trends follow those of piezometric levels, with a dramatic decrease in concentration in the period 2007-2008, followed by a general increase in the period 2008-2009. Therefore, a possible mobilization of the salinity and nutrients accumulated in the unsaturated area during drayer periods can be assumed.
All knowledge extracted from data processing allowed to identify some areas where water bodies are most vulnerable to human activities and to highlight the high sensitivity of the surface aquifer to hydro-climatic conditions.
The results obtained through this thesis work allow concluding that through the coupling of geochemical data processing and statistical techniques it is possible to obtain useful information also starting from a database created for different purposes. Moreover, using these techniques it is possible to evaluate the processes of contamination in progress and to estimate their evolution. Obviously, in order to go into more detail about the assumed contaminative processes, the most vulnerable areas will have to be the subject of targeted studies that will have to include not only chemical analysis but also isotopic analysis. Moreover, a detailed reconstruction of stratigraphic and hydrogeological characteristics of aquifers will be necessary.