ETD

• conceptual model
• hydrogeochemistry
• hydrostratigraphy
• idrogeochimica
• idrostratigrafia
• modello concettuale
• stratigrafia
• stratigraphy

Il presente elaborato di tesi ha come scopo quello di ricostruire un modello stratigrafico di sottosuolo di un’area di 25 km2 compresa all’interno della pianura di Pisa, a SO dell’abitato di Pontedera, geograficamente centrato sulla zona industriale di Gello. La ricostruzione del modello stratigrafico è mirata alla definizione di un modello concettuale applicato ad un impianto di depurazione di acque reflue civili ed industriali, situato a Gello (PI). La valutazione di un modello concettuale permette migliori e più efficaci metodologie di gestione di un impianto ad alto rischio, contribuendo alla salvaguardia delle condizioni naturali ambientali e ad un corretto efficientamento delle risorse di gestione.
Lo studio è stato condotto partendo dalla raccolta dei dati stratigrafici di base dalle banche dati regionali (BIDG-Regione Toscana) ed ISPRA (Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale), con integrazioni derivanti dai dati di letteratura. Le correlazioni stratigrafiche, tenuto conto del contesto cronostratigrafico definito da vari autori (Aguzzi et al., 2006) sono state effettuate sulla base di un database formato da 82 sondaggi: da queste è stato realizzato un modello stratigrafico tramite il tracciamento di 13 sezioni. Tramite il software GMS è stato ricostruito il modello idrostratigrafico in funzione delle caratteristiche di permeabilità presunte delle unità descritte al suo interno, riferendo ad ogni unità stratigrafica una certa permeabilità. A questo scopo sono state distinte 4 unità idrogeologiche che hanno permesso l’individuazione dei principali corpi acquiferi. La ricostruzione geometrica delle unità idrostratigrafiche di sottosuolo, ha permesso di distinguere un corpo acquifero profondo, intorno ai 40-50 metri in funzione delle varie aree. Entro i primi 30-40 metri di profondità si distinguono alternanze di lenti acquifere e acquitarde che sono intervallate da livelli acquicludi: l’incrocio con i dati di letteratura ha permesso di riferire la sequenza dei primi 60 metri al Pleistocene superiore-Olocene, con il passaggio tra le due identificato da una discordanza stratigrafica intorno ai 40 m da p.c.. Il modello idrostratigrafico evidenzia la presenza di una alternanza di lenti acquitarde le cui geometrie risultano di difficile definizione, al di sotto dell’impianto di depurazione.
La caratterizzazione idrogeologica dei primi 15 metri di sottosuolo è stata condotta mediante prove in situ, che hanno permesso di determinare coefficienti di permeabilità compresi tra 10-7 e 10-9 m/s (rispettivamente in “B1” e “B3”) oltre che di escludere rapporti tra le lenti acquitarde osservate al di sotto dell’impianto di depurazione, e i corsi d’acqua principali che caratterizzano l’area (Rio Pozzale e Canale Scolmatore).
I risultati delle analisi geochimiche ed isotopiche delle acque campionate dal pozzo artesiano e dai piezometri della rete di monitoraggio installata all’interno del sito, mostrano che le acque intercettate nei piezometri sono caratterizzate da facies idrochimiche clorurato-magnesiache e facies miste solfato-clorurate e clorurato-bicarbonate, ed alta salinità ionica totale (SIT). Questa variabilità è diretta conseguenza di una assenza di una vera e propria falda all’interno del sottosuolo. Diversamente, le acque prelevate dal pozzo artesiano rappresentative dell’acquifero profondo, presentano costantemente una facies bicarbonato-alcalino terrosa e contenuti salini piuttosto stabili (SIT di circa 50 mEq/L). I diversi segnali isotopici registrati nelle acque campionate dai piezometri e nell’acquifero profondo sottolineano come i due sistemi abbiano aree di ricarica diverse: acque di ricarica locale di prima infiltrazione per i piezometri, e acque provenienti da quote medie più elevate per il pozzo artesiano.
Oltre ai processi naturali fin qui citati, i dati hanno evidenziato fenomeni di interazione, ad oggi risolti, tra le acque sotterranee prelevate nel piezometro “B2”, con le acque dello scarico (“Effluent”). Sono stati inoltre osservati fenomeni di infiltrazione delle acque di precipitazione atmosferica nei piezometri “B2” e “B3”; i piezometri in questione sono apparsi per tanto vulnerabili.
In conclusione, il presente lavoro dimostra come la ricostruzione di un Modello Concettuale, basata su un approccio integrato geologico, idrogeologico e geochimico, rappresenti uno strumento determinante per individuare in modo mirato i parametri realmente significativi ai fini del monitoraggio ambientale, consentendo di riconoscere con maggiore affidabilità la presenza di eventuali interazioni tra i reflui dell’impianto e le acque sotterranee e di distinguerle dalle naturali variabilità del sistema.
Al contempo, il Modello Concettuale elaborato ha evidenziato la rilevanza di possibili sviluppi futuri, quali l’approfondimento delle analisi chimiche finalizzato a una migliore comprensione dei processi geochimici che caratterizzano il sottosuolo, attraverso, ad esempio, lo studio, degli isotopi dell’azoto e dei contaminanti emergenti; questi ultimi, sebbene non ancora esplicitamente inclusi nella normativa vigente, si configurano come strumenti di elevato potenziale informativo per la ricostruzione delle sorgenti di contaminazione e per il miglioramento dell’interpretazione dei segnali antropici nei sistemi acquiferi.

This thesis aims to reconstruct a stratigraphic model of the subsurface of an area of 25 km2 within the Pisa plain, SW of the town of Pontedera, geographically centered on the industrial area of Gello. The reconstruction of the stratigraphic model is aimed at defining a conceptual model applied to a civil and industrial wastewater treatment plant, located in Gello (PI). The evaluation of a conceptual model allows for better and more effective management methodologies for a high-risk plant, contributing to the protection of natural environmental conditions and a correct efficiency of management resources.
The study was conducted starting from the collection of basic stratigraphic data from the regional databases (BIDG-Tuscany Region) and ISPRA (Higher Institute for Environmental Protection and Research), with additions derived from literature data. The stratigraphic correlations, taking into account the chronostratigraphic context defined by various authors (Aguzzi et al., 2006), were carried out on the basis of a database made up of 82 surveys: from these a stratigraphic model was created by tracing 13 sections. Using the GMS software, the hydrostratigraphic model was reconstructed based on the presumed permeability characteristics of the units described within it, reporting a certain permeability to each stratigraphic unit. For this purpose, 4 hydrogeological units were distinguished which allowed the identification of the main aquifer bodies. The geometric reconstruction of the subsoil hydrostratigraphic units allowed us to distinguish a deep aquifer body, around 40-50 metres depending on the various areas. Within the first 30-40 meters of depth, alternations of slow aquifers and aquitards can be distinguished, which are interspersed with aquiclude levels: cross-referencing with literature data has allowed us to refer the sequence of the first 60 meters to the Late Pleistocene-Holocene, with the transition between the two identified by a stratigraphic unconformity around 40 m from pc. The hydrostratigraphic model highlights the presence of an alternation of aquitard lenses whose geometries are difficult to define, below the purification plant.
The hydrogeological characterization of the first 15 metres of subsoil was conducted through in situ tests, which allowed to determine permeability coefficients between 10-7 and 10-9 m/s (in “B1” and “B3” respectively) as well as to exclude ratios between the slow aquitards observed below the purification plant, and the main watercourses that characterise the area (Rio Pozzale and Canale Scolmatore).
The results of geochemical and isotopic analyses of the waters sampled from the artesian well and the piezometers of the monitoring network installed within the site show that the waters intercepted in the piezometers are characterized by chlorinated-magnesium hydrochemical facies and mixed sulfate-chlorinated and chlorinated-bicarbonated facies, and high total ion salinity (TIS). This variability is a direct consequence of an absence of a true aquifer within the subsurface. Conversely, the waters taken from the artesian well, representative of the deep aquifer, consistently present an earthy bicarbonate-alkaline facies and rather stable salt contents (TIS of approximately 50 mEq/L). The different isotopic signals recorded in the waters sampled by the piezometers and in the deep aquifer underline how the two systems have different recharge areas: local recharge waters of first infiltration for the piezometers, and waters from higher average elevations for the artesian well.
In addition to the natural processes mentioned so far, the data highlighted interaction phenomena, resolved to date, between the groundwater taken in the piezometer “B2”, with the wastewater (“Effluent”). Infiltration phenomena of atmospheric precipitation water were also observed in piezometers “B2” and “B3”; the piezometers in question therefore appeared vulnerable.
In conclusion, this work demonstrates how the reconstruction of a Conceptual Model, based on an integrated geological, hydrogeological, and geochemical approach, represents a crucial tool for specifically identifying parameters that are truly significant for environmental monitoring purposes, allowing for more reliable recognition of the presence of any interactions between plant wastewater and groundwater and distinguishing them from the natural variability of the system.
At the same time, the Conceptual Model developed highlighted the relevance of possible future developments, such as the deepening of chemical analyses aimed at a better understanding of the geochemical processes that characterize the subsoil, through, for example, the study of nitrogen isotopes and emerging contaminants; the latter, although not yet explicitly included in current legislation, they are configured as tools of high information potential for the reconstruction of sources of contamination and for the improvement of the interpretation of anthropogenic signals in aquifer systems.