Integrating numerical modelling and 3D Open Data databases for groundwater management in Milan Metropolitan City

Cities are intricate areas, where a multitude of elements interact. A change in the paradigm towards sustainability goals, as the limit of soil consumption, is determining a greater use of the subsurface, thus abandoning the urban horizontal sprawl. This results in increasing interactions between groundwater and the underground infrastructures. Thus, it is reasonable to think that in the next years a huge effort will be allocated to research in urban hydrogeology. Among the cities that worldwide have been affected by this issue, the city of Milan (Northern Italy, Lombardy Region) experienced a strong groundwater table rise in the last decades, leading to flooding episodes for different categories of underground infrastructures. Considering that a future subsurface development has been already planned, this highlights the importance of adopting integrated strategies in the framework of both underground development and groundwater management. Within this general scheme, the present PhD project has been divided into three parts, to provide a detailed definition of the urban conceptual model for the city of Milan, that could play a pivotal role and support decision-making processes in urban planning policies. More specifically, the first part of the project deals with the reconstruction of a 3D Geodatabase (3D GDB) for urban underground infrastructures (UIs). Using Open Data databases as the primary, but not unique source of information, three categories of subsurface elements (private and public car parks, subway lines) have been gathered within the 3D GDB. This information has been then combined with groundwater table reconstructions of groundwater minimum and maximum conditions to identify the areas where the UIs were submerged by the water table. In the second part, data-driven techniques have been applied to analyse groundwater time-series of the shallow aquifer, occupied by the UIs. Statistical and geospatial techniques were used to reach a better understanding of the hydrogeologic system, pinpointing the main potential variables influencing the water table levels. Consequently, four management areas have been identified to act as future geographic units, defining specific groundwater management strategies in relation to UIs. In the third part, a local scale numerical model was implemented for the western part of the city to further evaluate groundwater/underground infrastructures interactions. In particular, groundwater infiltrations into UIs were quantified, leading to a better definition of the urban conceptual model. The numerical model was developed using MODFLOW-USG, and adopting the HFB package, supported by the DRAIN package to model the UIs. The results of this project pointed out that the combination of these different tools could be beneficial to manage the interactions between groundwater and the underground infrastructures and to support the decision makers in urban groundwater management. In this way, proper strategies could be adopted to sustainably design the future subsurface development of the city.

Le città sono ambienti complessi, dove una moltitudine di elementi interagiscono. Un cambiamento del paradigma verso il raggiungimento di obiettivi di sostenibilità, come il limite del consumo di suolo, sta determinando un maggiore utilizzo del sottosuolo, abbandonando così lo sviluppo urbano in senso orizzontale. Ciò si traduce in una crescente interazione tra la falda e le infrastrutture sotterranee. Pertanto, è ragionevole pensare che nei prossimi anni un enorme sforzo sarà dedicato alla ricerca idrogeologica in aree urbane. Tra le città che nel mondo sono state colpite da questo problema, la città di Milano (Nord Italia, Regione Lombardia) ha registrato un forte aumento del livello piezometrico negli ultimi decenni, che hanno portato ad episodi di infiltrazione per diverse categorie di infrastrutture sotterranee. Considerando che è già stato pianificato un futuro sviluppo del sottosuolo, ciò evidenzia l'importanza di adottare strategie integrate nel quadro sia dello sviluppo sotterraneo che della gestione della falda. All'interno di questo schema generale, il presente progetto di dottorato è stato suddiviso in tre parti, per fornire una definizione dettagliata del modello concettuale urbano per la città di Milano, che potrebbe svolgere un ruolo fondamentale per sostenere i processi decisionali nelle politiche di pianificazione urbana. In particolare, la prima parte del progetto riguarda la ricostruzione di un Geodatabase 3D (3D GDB) per le infrastrutture sotterranee (UIs). Utilizzando banche dati di tipo Open come fonte principale, ma non unica, di informazioni, sono state catalogate all'interno del 3D GDB tre categorie di elementi del sottosuolo (parcheggi privati e pubblici, linee metropolitane). Queste informazioni sono state poi combinate con la ricostruzione della tavola d’acqua per condizioni di minimo e massimo idrogeologico per identificare le aree in cui le UIs sono state sommerse dalla falda. Nella seconda parte, sono state applicate tecniche data-driven per analizzare le serie storiche della falda freatica, occupata dagli UI. Sono state utilizzate tecniche statistiche e geo spaziali per raggiungere una migliore comprensione del sistema idrogeologico, individuando le principali variabili che regolano il livello piezometrico. Di conseguenza, sono state identificate quattro aree di gestione che possano fungere da future unità territoriali, definendo specifiche strategie di gestione della falda in relazione alle UIs. Nella terza parte, è stato implementato un modello numerico su scala locale per la parte occidentale della città, al fine di valutare ulteriormente le interazioni tra falda e infrastrutture sotterranee. In particolare, sono state quantificate le infiltrazioni della falda nelle UIs, portando ad una migliore definizione del modello concettuale urbano. Il modello numerico è stato sviluppato utilizzando MODFLOW-USG, adottando il pacchetto HFB, supportato dal pacchetto DRAIN per modellare le infrastrutture sotterranee. I risultati di questo progetto hanno evidenziato come la combinazione di questi diversi strumenti potrebbe essere utile per gestire le interazioni tra la falda e le infrastrutture sotterranee e per sostenere i decisori nella gestione delle acque sotterranee in ambito urbano. In questo modo, potrebbero essere adottate strategie adeguate per progettare in modo sostenibile il futuro sviluppo del sottosuolo della città.