RIASSUNTO
La presente tesi di laurea applica tecniche di simulazione numerica a differenze finite 3D (Visual ModFlow 4.2) al fenomeno della salinizzazione degli acquiferi freatici costieri del litorale pisano e nello specifico, nelle due aree urbanizzate di Marina di Pisa e Tirrenia. A tal fine è stato calibrato un modello numerico di flusso di una zona compresa tra il Fiume Arno a nord, Canale Navicelli a est, Canale Scolmatore a sud e Mar Ligure ad ovest (
“area vasta”); tale modello è servito da base per l’implementazione dei due modelli delle aree urbanizzate di Marina di Pisa e Tirrenia ( “aree ristette”).
Il lavoro di modellazione effettuato si inserisce nell’ambito del progetto “Tutela della risorsa idrica dall’ingressione del cuneo salino ed altri fenomeni di degrado nella fascia costiera della pianura di Pisa” del Comune di Pisa.
L’area di studio fa parte della Pianura Pisana interessata fin da tempi storici da grandi opere di bonifica e di sistemazione idraulico-agraria che hanno reso il sistema di drenaggio quasi completamente artificiale, rettificando anche buona parte dei corsi d’acqua naturali. Tale area in epoca più recente è stata oggetto di un forte sviluppo industriale e di rapidi incrementi demografici; fenomeni che, insieme agli irrazionali emungimenti in prossimità del litorale, hanno contribuito ad accentuare l’ingressione marina.
La tesi si è articolata in una fase di raccolta, sistematizzazione ed elaborazione dati che ha consentito la ricostruzione del modello concettuale propedeutico alla modellazione numerica. Questo ha richiesto la ricostruzione dell’assetto idrostratigrafico dell’area, la definizione degli andamenti pluviometrici, termometrici, piezometrici e di salinità nei due anni dal 1 ottobre 2007 al 31 dicembre 2009 (periodo di calibrazione del modello), di informazioni sugli emungimenti dalla falda freatica superficiale e dalla prima confinata, e di valori dei parametri idrogeologici (permeabilità, porosità totale, porosità efficace, specific storage and specific yield) dell’acquifero freatico e dell’idrometria dei corpi idrici superficiali. È stata effettuata la correlazione tra i dati pluviometrici e le variazioni piezometriche individuando una probabile correlazione tra i valori piezometrici e la ricarica diretta ed ottenendo un alto coefficiente di correlazione, per quasi tutti i punti di misura, per l’intervallo di piogge pregresse di due mesi e mezzo (75 giorni); questo intervallo di tempo potrebbe essere interpretato come quello necessario alle precipitazioni meteoriche a raggiungere la porzione satura dell’acquifero superficiale ed ha agevolato la comprensione degli output della modellazione.
È quindi seguita una fase di implementazione di un modello numerico di flusso per l’area vasta e successivamente dei due modelli di area ristretta per i quali è stata modellata la distribuzione dell’ingressione salina in acquifero.
I modelli di Marina di Pisa e Tirrenia, al termine della calibrazione, hanno raggiunto un accettabile grado di rispondenza alle condizioni piezometriche reali dell’area e quindi hanno consentito di produrre alcune simulazioni di scenari previsionali a verifica di possibili ipotesi di intervento in previsione di un ulteriore e probabile incremento della pressione antropica.
La situazione dell’acquifero superficiale della porzione costiera della pianura pisana vede un modesto grado di ingressione marina diretta sulla linea di costa; si incontra quindi in corrispondenza della fascia dei cordoni dunali, un corpo idrico dolce che sovrasta, nella zona di Marina di Pisa una lamina basale salata mentre a Tirrenia, soprattutto nella zona nord, le acque salate saturano completamente l’acquifero freatico fino all’ acquicludo di base. Verso l’entroterra, area corrispondente ad antiche lagune retrodunali, la falda superficiale mostra salinità da elevate ad elevatissime. Le simulazioni evidenziano il fondamentale ruolo della fascia dei cordoni dunali, soprattutto ove non impermeabilizzati, nella generazione e trattenimento di una barriera pseudo - idrostatica di acque dolci che
previene efficacemente la massiccia ingressione di acque marine nell’acquifero
superficiale ed individuano come principale ablatore di acque sotterranee dall’acquifero freatico superficiale, la rete di bonifica a sollevamento meccanico rappresentata dal Fosso Lamone.
ABSTRACT
3D Numerical simulations finite differences (Visual Modflow 4.2 software) have been applied to freatic aquifers in the Pisa coast with a dedicated zoom to two strongly urbanized town of Marina di Pisa and Tirrenia.
First, a numerical flow model of the area comprised between Fiume Arno on the north, Canale Navicelli on the east, Canale Scolmatore on the west and Ligurian Sea on the east, was implemented and calibrated (Wide Area Model).
The Wide Area model output had been used to build the models of Marina and Tirrenia (Small Areas) using the VModFlow Seawat code.
The thesis work is a small part of a wide project, developed by Pisa municipality, called
“Tutela della risorsa idrica dall’ingressione del cuneo salino ed altri fenomeni di degrado nella fascia costiera della Pianura di Pisa”
The Wide Area is a part of the Pisa Plain characterized, since historical times, by dewatering mainly for agricultural purposes . The dewatering actions lead the area to be totally artificial and a lot of channel were build and rivers rectified.
A strong industrial development, the quickly demographic increase and the wild discharge from wells contribute to increase the sea intrusion.
The thesis work could comprehend a first phase of acquisition systematization and processing of bibliographic and newly acquired data. In this first phase a conceptual model has been build.
The conceptual model was translated in a model fitting for the numerical input.
Reconstruction of hydrostratigraphy, definition of the rainfall pattern, thermometric, piezometric data (spanning over two year from October 2007 to 31 December 2009 . The modellisation time), freatic and first confined aquifers salinity data (collected from the pumping wells), values of the hydraulic parameters (permeability, total porosity, effective porosity, specific storage and specific yield), head of surface water bodies are all required to implement a numerical model.
Moreover it was carried out a study on the correlation between rainfall and piezometric data, to identify and quantify (if any) the existence of a relation. A high correlation coefficient between pluviometric data and piezometric has been detected for almost all the measure points, for a span of 75 days back from the measurement time. The 75 days span could be interpreted as the time necessary to the rain to reach the saturated part of the freatic aquifer. This study helped in the model output comprehension.
The Wide Area model flow has been implemented and calibrated meanwhile the two Small Areas models Tirrenia and Marina have been constructed and calibrated to calculate the distribution of sea salt.
The three models have been calibrated and reached a good statistical degree of reality approximation. The Marina di Pisa and Tirrenia models have been used to simulated possible future scenarios.
The models show a modest degree of direct marine intrusion near the shoreline.
Proceeding toward west, near Marina, in the dune area the marine intrusion is reduced as a thin lamina under a thick layer saturated with fresh water meanwhile in Tirrenia model, salted water saturated completely the freatic aquifer.
Continuing toward west in the areas corresponding to retrodune lagoons, the freatic aquifer shows a salinity content from high to very high.
The simulation models show the dune main role (if not impermeabilized); dunes really are fresh water pseudo hydrostatic barriers and prevent effectively the strong sea water intrusion in the fresh freatic aquifer.
Moreover the simulations show that the main water withdrawal is the dewatering net that collect water in the Lamone idrovora
