HYDROGEOLOGICAL MODELING TO SUPPORT THE MANAGEMENT OF GROUNDWATER RESOURCES IN ALPINE VALLEYS

The present PhD project deals with the development of methodologies and tools in order to support the management of groundwater resources from a quantitative and qualitative point of view. The work deals with a particular hydrogeological context such as the Alpine valleys aquifers, where groundwater/surface water interactions as well the wells pumping have a crucial role in the hydraulic behaviour of groundwater. Moreover, the hydrogeological setting of these aquifers makes groundwater highly vulnerable to the contamination by the human activities. The work involves three main topics concerning specified issues affecting the Alpine valley aquifer of the Aosta Plain (Aosta Valley Region, N Italy). The first topic is related to the modeling of the three-dimensional groundwater flow and its interaction with the surface water. This topic was addressed by the development of a numerical groundwater flow model of the Aosta Plain aquifer in order to identify groundwater/surface-water relationships and evaluate the overall effect of the pumping on water resources. The model was developed using MODFLOW2005 and the more recent Stream-Flow routine package (SFR2) to simulate the surface-water network. An inverse calibration procedure performed by the PEST code was used to obtain the steady-state and transient solutions. The quantification of the hydrogeological budget, the groundwater/surface-water interactions and the effect of well withdrawals on water resources were done using the model results. The second topic deals with the management of groundwater hydrochemical data. This topic was addressed through the development of the online hydrochemical database called TANGCHIM which was joined with an existing hydrogeological database in order to provide an integrated platform able to manage, display and share water quality and quantity data. The third topic takes into account a groundwater pollution related to a landfill site. Within this topic, two main aims were achieved. The first one is related to the definition of a methodology able to support groundwater managers to define the conceptual model of the site and to calculate the trigger levels, a useful tool for monitoring landfill sites located in historical human-impacted areas. The second aim is related to the detection of the sources related to the groundwater contamination affecting the landfill site. The investigation was conducted using hydrochemical parameters and artificial sweeteners, multivariate statistical analysis and transport modeling. The source apportionment analysis was accomplished to distinguish the contribution of different sources of the leachate infiltration in order to improve the management of the landfill site and design a proper remediation system.

Il presente progetto di dottorato riguarda lo sviluppo di metodologie e strumenti modellistici a supporto della gestione delle risorse idriche sotterranee da un punto di vista quantitativo e qualitativo. A tale scopo, il progetto ha preso in considerazione gli acquiferi delle valli alpine, i quali rappresentano un particolare contesto idrogeologico in sui le interazioni tra acque sotterranee e superficiali nonché il pompaggio dei pozzi incidono profondamente sul comportamento idraulico delle falde. Inoltre, l'impostazione idrogeologica di questi acquiferi rende le acque sotterranee altamente vulnerabili alla contaminazione da parte delle attività umane. Il lavoro, sviluppato in collaborazione con ARPA Valle d’Aosta, ha preso in considerazione tre aspetti principali che riguardano la gestione qualitativa e quantitativa dell’acquifero della Piana d'Aosta (Regione Valle d'Aosta, Italia). Il primo aspetto ha riguardato la modellizzazione tridimensionale dell’acquifero della Piana d’Aosta e delle sue interazione con le acque superficiali. A tale scopo è stato sviluppo un modello numerico per simulare il flusso idrico sotterraneo al fine di identificare e quantificare le relazioni di scambio tra acque sotterranee e acque superficiali e allo stesso tempo valutare l'effetto del pompaggio sulle risorse idriche. Il modello di flusso idrico sotterraneo è stato sviluppato utilizzando MODFLOW2005 accoppiato al più recente pacchetto Stream-Flow routine package (SFR2) per simulare la rete idrica superficiale. Il modello, settato in condizioni stazionarie e transitorie, è stato calibrato mediante una procedura di calibrazione inversa eseguita usando il codice PEST. I risultati del modello hanno permesso di quantificare il bilancio idrogeologico, le interazioni acque sotterranee/superficiali, valutare l’effetto del pompaggio sulle risorse idriche, nonché individuare le aree più idonee per la realizzazione di nuovi pozzi. Il secondo aspetto ha riguardato la gestione dei dati idrochimici delle acque sotterranee, il quale ha condotto allo sviluppo di un database idrochimica, disponibile online, chiamato TANGCHIM. Tale database idrochimico è stato accoppiato ad un pre-esistente database idrogeologico (TANGRAM) al fine di fornire una piattaforma integrata in grado di gestire, visualizzare e condividere tutti i dati idrogeologici e idrochimici relativi a pozzi e piezometri. Il terzo argomento ha riguardato l’analisi di un fenomeno d’inquinamento delle acque sotterranee dovuto all’ingresso di percolato proveniente da un sito di discarica presente nella Piana d’Aosta. Questo lavoro è stato suddiviso in due parti principali. La prima parte ha previsto la definizione di una metodologia generalizzata in grado di supportare gli enti gestori delle acque sotterranee alla definizione del modello concettuale di un sito contaminato (in questo caso una discarica) e, allo steso tempo, calcolare i livelli di guardia ai sensi della direttiva Europea sulle discariche (1999/31/EC). Tale metodologia costituisce complessivamente uno strumento utile per la pianificazione del monitoraggio di siti di discarica situati in aree storicamente impattate da pregresse attività antropiche. Il secondo obiettivo ha riguardato l’individuazione, all’interno del sito di discarica, delle aree sorgenti attraverso cui il percolato si infiltra nel sottosuolo, contaminando le acque di falda. L'indagine è stata condotta utilizzando i dati idrochimici e zuccheri artificiali campionati nel marzo 2017, applicando tecniche di statistica multivariata e modelli di trasporto. L’individuazione delle sorgenti si è resa necessaria al fine di migliorare la gestione del sito e progettare un adeguato sistema di bonifica.