I
The gravelly confined aquifer of the Pisa plain: new hydrogeological and
geochemical data in the coastal area and evaluation of the seawater
intrusion.
Abstract
The gravelly confined horizon of the Pisa plain multilayered system, located at a depth between 50 and 100 m below the sea-level and about 10-20 m thick, is a confined aquifer tapped by a large number of wells. It contains a very important water resource for drinking, industrial and irrigable uses, although in some cases the groundwater quality is poor.
In order to evaluate the seawater intrusion in this aquifer between the Arno River and Scolmatore Canal and to understand the mixing mechanisms with fresh water, a multidisciplinary study was carried out by means of hydrostratigraphic correlations, water level collection and chemical analysis. In particular, by means of a monitoring network, we carried out two hydrogeological surveys (on February and June 2013), measuring the piezometric level, EC, pH and T directly in situ, through multi-parametric probes.
Moreover, during the June 2013 survey we have collected water samples for laboratory analyses in order to determine the content of the principal anions (CL-, SO4= and NO3-)
and cations (Ca++, Mg++, Na+ and K+); these data have been represented in a Piper-Hill diagram in order to recognize the main hydrochemical facies of the collected samples and to identify the principal mixing processes which affect the aquifer.
Moreover, we have elaborated other diagrams correlating the principal anions and EC values and correlating the Na-Cl ratio and the seawater ratio. On the basis of the piezometric data, conductivity data and the chemical analysis, we have highlighted two mixing zones between seawater and freshwater: San Piero a Grado and the southern part of Calambrone.
Future research regarding the same project will consider and study the isotopic data which, at the moment, are not available.
II
Riassunto
La Pianura di Pisa presenta un assetto idrogeologico costituito generalmente da un acquifero superficiale, di tipo freatico, localmente passante ad acquiclude, e da più livelli acquiferi profondi, contenuti in depositi sabbiosi e ghiaiosi, che costituiscono nell'insieme un acquifero multistrato confinato.
Il livello in ghiaie confinato oggetto di studio è sede di una delle principali risorse idriche della pianura, con numerosi pozzi di emungimento per l'approvvigionamento idropotabile, industriale ed agricolo, sebbene l'acqua non sia sempre di ottima qualità. Nella zona costiera, in cui si è svolta la presente tesi, tale orizzonte acquifero si trova in generale ad una profondità compresa tra i 50 e i 100 m sotto il livello del mare ed ha uno spessore di circa 10-20 m.
Con lo scopo di valutare se nell'area costiera pisana meridionale tale importante acquifero sia interessato da fenomeni d'intrusione marina, nonché per conoscere i meccanismi di miscelazione tra acque dolci ed acqua di mare, è stato avviato il progetto di ricerca "Studio del fenomeno dell'intrusione marina nella falda confinata in ghiaie e dei rapporti tra sistema freatico e confinato nell'area del Parco Regionale Migliarino-San Rossore-Massaciuccoli (MSRM) compresa tra il Fiume Arno e il Canale Scolmatore" stipulato tra l'Ente Parco stesso, l'Università di Pisa-DST e il CNR-IGG.
Questo lavoro di Tesi si inserisce all'interno del sopracitato progetto e affronta tale problematica attraverso il rilevamento dei livelli piezometrici ed elaborazioni delle rispettive carte, analisi dei parametri chimico-fisici sia in sito che in laboratorio, al fine di classificare le acque ed evidenziare eventuali mescolamenti tra varie componenti che entrano in gioco nel sistema, tra cui l'acqua di mare. Il progetto, nelle sue prime fasi, ha previsto la realizzazione di 11 piezometri che monitorano in continuo livello piezometrico (in m), conducibilità elettrica (CE, in μS/cm) e temperatura (T in °C): 7 profondi che raggiungono l'acquifero confinato in ghiaie, 3 superficiali che intercettano l'acquifero freatico e uno intermedio per andare a valutare se i due acquiferi sono in comunicazione; oltre a questi piezometri il monitoraggio ha riguardato un'altra trentina di pozzi, principalmente profondi,
III nonché le acque del Fiume Arno e del Canale Scolmatore.
In particolare, appoggiandosi alla rete di monitoraggio (continuo e discreto) istituita nell’ambito del menzionato progetto (oltre 40 punti d’acqua, vedi figura 1), sono state svolte due campagne di misura (Febbraio e Giugno 2013) durante le quali sono stati misurati il livello piezometrico, CE, pH e T direttamente in sito per mezzo di sonde multi-parametriche; nella campagna di Giugno 2013 sono stati inoltre raccolti dei campioni d'acqua per analisi di laboratorio, al fine di determinare il contenuto dei principali anioni (CL-, SO4= e NO3-) e dei principali cationi (Ca++, Mg++, Na+ e K+),
IV
V I dati di piezometria e CE del monitoraggio discreto (Febbraio e Giugno 2013) sono stati usati per l'elaborazione delle rispettive carte (che per motivi di spazio non vengono inseriti in questo riassunto) con l'obiettivo di avere un quadro della condizione idrodinamica degli acquiferi il più possibile indisturbata dal punto di vista dello sfruttamento antropico; infatti, si è cercato di monitorare i pozzi e i piezometri la mattina prima dell'azionamento dei rispettivi sistemi di pompaggio che, come mostra la figura 2, in certi casi sono di notevole portata.
Figura 2 - Irrigazione nell'area di studio.
Sulla base dei dati (livello piezometrico e CE) registrati in continuo da sonde automatiche installate in 11 piezometri, sono stati elaborati diagrammi (un esempio è riportato nelle figure 3 e 4) che descrivono l’evoluzione dei carichi idraulici e della conducibilità elettrica (e quindi della salinità) in funzione del regime sia pluviometrico, sia degli attingimenti dalla falda.
VI sono stati usati due cdt-diver differenti, segua abbastanza bene l'andamento delle precipitazioni, ma per tutto il periodo estivo, a partire da giugno fino ad ottobre inoltrato, questo sia inferiore al livello medio del mare, andando così a generare un punto di richiamo dell'acqua marina. Il diagramma della CE del medesimo pozzo mette in evidenza soltanto una sua attenuazione a seguito di un evento meteorico straordinario restando comunque sempre oltre il limite delle acque idonee per l'irrigazione (CE=2000 μS/cm).
Figura 3 - Piezometria determinata con due ctd-diver differenti.
Figura 4 - CE vs piogge giornaliere del piezometro D1. 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 0 10 20 30 40 50 60 70 μS/cm Giorni mm
D1
mm_piogge Conducibilità (uS/cm)VII Con l'analisi chimica delle acque è stato possibile determinare il contenuto dei principali anioni (CL-, SO4= e NO3-), mediante cromatografia Ionica, e dei principali
cationi (Ca++, Mg++, Na+ e K+) tramite spettroscopia atomica. Sulla base di questi dati, rappresentati graficamente mediante un diagramma di Piper-Hill e riportato in figura 5, è stato possibile riconoscere le principali facies idrochimiche a cui le acque appartengono ed individuare i principali processi di mescolamento che interessano la falda acquifera in esame.
Figura 5 - Diagramma classificativo Piper-Hill del campionamento di Giugno 2013 e del Fiume Arno e del Canale Scolmatore di Ottobre 2012.
VIII Oltre a questo diagramma sono stai elaborati altri diagrammi che, in un caso correlano i principali anioni con i valori di CE (è anche riportato in figura 6), in un altro la correlazione tra Na e Cl espressi in meq/l (vedi figura 7) riportando in maniera chiara la retta rappresentativa dell'andamento di tale rapporto dell'acqua di mare.
Come si nota anche dal grafico di figura 6 non in tutti casi il valore del contenuto in Cl è il più incisivo, spesso è il contenuto in HCO3 a prevalere e solo il P13 ha un
contenuto in SO4 maggiore rispetto agli altri. In corrispondenza dell'abbondanza
dell'HCO3 si registrano anche valori bassissimi di SO4 e questo potrebbe essere
dovuto al fenomeno di riduzione dei solfati: i solfo-batteri presenti in questo ambiente riducente riescono a modificare la composizione della soluzione impoverendola in solfati e incrementando il contenuto in bicarbonati; tale andamento era già stato evidenziato da Grassi e Cortecci nello loro studio idrologico e geochimico dell'acquifero confinato nella parte della Pianura di Pisa più interna rispetto a quella indagata con questo studio.
Per valutare se nelle acque dei pozzi con un elevato contenuto in Cl è avvenuto un mixing con acque marine è necessario andare a valutare il rapporto Na/Cl in relazione al rapporto Na/Cl dell'acqua di mare; dal diagramma riportato in figura 7 possiamo notare che solo i pozzi P4, P16, P17 e P32 hanno un andamento simile a quello dell'acqua marina e questo conferma che nelle zone di captazione di questi pozzi sono avvenuti verosimilmente dei fenomeni di mixing con acqua marina.
IX
Figura 6 - Diagramma binario HCO3, SO4, CL vs CE.
X I grafici riportati nelle figure 6 e 7 riguardano i pozzi che intercettano l'acquifero confinato in ghiaie ma sono stati elaborati anche i diagrammi dei piezometri profondi, dei piezometri e dei pozzi superficiali che, per motivi di spazio, non possono essere riportati in questo riassunto.
Conclusioni
L'acquifero studiato è sede di una circolazione di acque a composizione Ca-Na/HCO3-SO4 caratterizzate da una conducibilità elettrica che varia da valori intorno ai 1000 μS/cm a valori non superiori ai 6000 μS/cm.
I quantitativi di acqua di mare in acquifero sono strettamente dipendenti dalle diverse condizioni stagionali in termini sia di ricarica sia di emungimenti; in particolare i più alti valori di conducibilità elettrica si registrano nella campagna di Giugno, rispetto a quella di Febbraio caratterizzata da emungimenti minori e afflussi maggiori.
In base ai dati piezometrici, di conducibilità e le analisi chimiche delle acque, con particolare attenzione al rapporto Na/Cl, e in riferimento ai periodi di monitoraggio e all'area d'indagine sono state evidenziate le zone di San Pero a Grado, in corrispondenza del piezometro S2 fino ai piezometri S1 e S3, e la zona meridionale di Calambrone, in corrispondenza dei pozzi P16 e P17,come zone di mixing acqua dolce-acqua di mare.
Nei prossimi lavori di tesi riguardo al medesimo progetto verranno studiati i dati isotopici ancora non del tutto disponibili a causa di problemi alla strumentazione.
