PRESENTAZIONE

L’insegnamento di Idrogeochimica si prefigge di trattare mediante la presentazione degli strumenti teorici e computazionali adeguati e di elevato standard scientifico gli equilibri che si instaurano tra soluzioni acquose quali pioggia, acqua di falda, acqua superficiale e fasi minerali che costituiscono rocce e suoli. Il Corso comprende una sezione dedicata agli equilibri isotopici di ossigeno e idrogeno in soluzione acquosa.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento ha lo scopo di fornire al futuro professionista le basi per una corretta interpretazione delle interazioni tra le acque ospitate in un reservoir e la matrice solida che lo costituisce. Vengono messe in luce le relazioni tra i vari compartimenti nel quadro del ciclo generale dell’acqua attraverso il campionamento, l’interpretazione diagrammatica e l’elaborazione dei dati derivanti dai referti analitici di laboratorio. L’interesse per la dinamica evolutiva di un acquifero per ciò che concerne la condizione di qualità conduce nella seconda parte ad affrontare le tematiche di base per l’approntamento di una simulazione di flusso e trasporto (anche reattivo). A tal proposito verranno presentate le nozioni base di modellistica alle differenze finite, alle tecniche base di risoluzione numerica ed alle condizioni di stabilità di calcolo in simulazione. La dinamica fine inter-acquifero, la scansione evolutiva temporale in rapporto alle relazioni con i compartimenti attigui (atmosfera e acqua marina) viene indagata mediante lo studio isotopico di O e H per cui parte del programma verterà sul frazionamento isotopico di tali elementi. Il percorso di acquisizione delle conoscenze inerenti l’insegnamento troverà il completamento nella pratica computazionale dei calcoli di speciazione di soluzioni acquose in condizioni termo-bariche tipiche degli acquiferi superficiali e nella presentazione di case studies di interesse della geochimica delle acque. Una parte del programma verrà condotta sul terreno con esercitazioni di campionamento di acque da sorgenti e acque superficiali. Ogni argomento teorico presentato sarà supportato dalla pratica computazionale in lezioni guidate mediante software OpenSource.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali

Esercitazioni in aula informatica.

PROGRAMMA/CONTENUTO

L'insegnamento di Idrogeochimica [IGCH-65685] ha lo scopo di fornire al futuro professionista le basi per una corretta interpretazione delle interazioni tra le acque ospitate in un reservoir e la matrice solida che lo costituisce. Vengono messe in luce le relazioni tra i vari compartimenti nel quadro del ciclo generale dell’acqua attraverso il campionamento, l’interpretazione diagrammatica e l’elaborazione dei dati derivanti dai referti analitici di laboratorio.

L’interesse per la dinamica evolutiva di un acquifero per ciò che concerne la condizione di qualità conduce nella seconda parte ad affrontare le tematiche di base per l’approntamento di una simulazione di flusso e trasporto (anche reattivo). A tal proposito verranno presentate le nozioni base di modellistica alle differenze finite, alle tecniche base di risoluzione numerica ed alle condizioni di stabilità di calcolo in simulazione.

La dinamica fine inter-acquifero, la scansione evolutiva temporale in rapporto alle relazioni con i compartimenti attigui (atmosfera e acqua marina) viene indagata mediante lo studio isotopico di O e H per cui parte del programma verterà sul frazionamento isotopico di tali elementi.

Il percorso di acquisizione delle conoscenze inerenti l’insegnamento troverà il completamento nella pratica computazionale dei calcoli di speciazione di soluzioni acquose in condizioni termo-bariche tipiche degli acquiferi superficiali e nella presentazione di case studies di interesse della geochimica delle acque.

Una parte del programma verrà condotta sul terreno con esercitazioni di campionamento di acque da sorgenti e acque superficiali. Ogni argomento teorico presentato sarà supportato dalla pratica computazionale in lezioni guidate mediante software OpenSource.

Introduzione

Definizioni di acquifero e corpo idrico: limiti fisici e caratteri giuridici. Legislazione di riferimento sulle acque (EU, nazionale). Piano Regionale di Tutela delle Acque (PTA). Ciclo dell’acqua: impronta chimico-fisica ed isotopica delle acque nei vari compartimenti (acque di pioggia, superficiali, falda, carsica, marina). In e out del budget idrico di un acquifero. Zona satura e instaura di un acquifero. Caratteristiche di trasferimento dalla superficie all’acquifero di inquinanti inorganici ed organici. Workflow di un progetto in ambito idrogeochimico.

Campionamento

Definizione di survey e monitoraggio (sorveglianza, operativo, indagine): scala di osservazione nel dominio spazio-temporale. Questione di budget, accuratezza e sincronismo di acquisizione. Preparazione di una uscita sul terreno per campionamento di acque. Calcolo della portata di sorgenti. Spurgo preliminare di un pozzo di emungimento. Strumenti per la misurazione di T, pH, Eh, EC, TDS, O2, alcalinità, pCO2: taratura e manutenzione. Logging in continuo di un pozzo. Campionamento delle aliquote: filtratura, acidificazione. Stoccaggio. Protocolli analitici richiesti dal TU Dlgs 152/06.

Interpretazione dei dati

Unità di misura di concentrazione e di grandezze chimico-fisiche. Relazioni di conversione tra le varie unità e grandezze. Elettroneutralità di un’analisi di acqua. Diagrammi bivariati. Diagramma di Ficklin. Diagrammi triangolari. Diagramma di Piper. Diagramma di Langelier-Ludwig (LL). Analisi speditiva di un referto analitico di laboratorio.

Soluzioni acquose in un mezzo poroso

Natura del mezzo poroso “numerico”: relazioni con la realtà geologica. Porosità e legge di Darcy, gradiente idraulico, permeabilità. Tensore della conducibilità idraulica. Anisotropia ed eterogeneità dell’acquifero dipendente dalla scala di osservazione. Movimenti di una soluzione acquosa in un mezzo poroso: advezione, diffusione, dispersione. Leggi di Fick corrette. Tortuosità. Coefficienti di dispersione. Interazione diretta tra soluto-solvente e matrice solida: isoterme di adsorbimento (Langmuir e Freundlich). Fattore di ritardo. Scambio ionico tra soluzione e matrice solida. Il processo di mixing di acque: la norma, non l’eccezione. Modelli numerici di flusso e trasporto reattivo: caratteri principali. Equazioni di Laplace e di Poisson. Metodo delle differenze finite. Principi del Metodo NR per la soluzione di sistemi di equazioni lineari. Condizioni al contorno di un modello delle differenze finite. Condizioni di stabilità numerica del calcolo di flusso e trasporto reattivo.

Isotopi stabili di H e O

Dimensione isotopica della Tabella Periodica. Gli isotopi stabili di maggior interesse per l’idrogeochimica: H, O. Standard di riferimento (SMOW, V-SMOW). Frazionamento isotopico: perché, dove e in quali condizioni avviene. Fattore di frazionamento. Linea meteorica isotopica mondiale (MWML) e locale. Effetti di temperatura, di quota, di precipitazione e “continentale” sul frazionamento.

Calcoli di speciazione

Perché eseguire un calcolo di speciazione. Richiami di Geochimica di base: attività termodinamica, costante di Henry, fugacità, forza ionica, costanti di reazione e di equilibrio, costanti condizionali, affinità termodinamica all’equilibrio, indice di saturazione. Tipologia dei modelli di reazione acqua-roccia. Equilibrio vs. Disequilibrio. Cinetiche di reazione. Database termodinamici per i calcoli di speciazione: struttura e contenuto. Perché esistono più database termodinamici. Impatto della scelta di un database sui risultati del calcolo. Workflow della procedura di calcolo della speciazione di una soluzione acquosa. Diagrammi Eh-pH e dipendenza dal database termodinamico: ATLAS Eh-pH (Japan).

Software
Phreeqc3.0 [ http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phreeqc/ ]
PHAST/P4W [ http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phast/ ]
PhreePlot [ http://www.phreeplot.org ]

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Vetuschi Zuccolini M. (2011) Appunti di Idrogeochimica.
Ottonello G. (1991) Principi di Geochimica. Zanichelli Editore
Bear J. and Cheng A.H.-D. (2010) Modeling groundwater flow and contaminant transport. Springer, Berlin, 815 pp.
Zheng C. and Bennet G.D. (2002) Applied contaminant transport modeling. Wiley Inter-Science, 621 pp.
Wang H.F and Anderson M.P. (1982) Introduction to Groundwater modeling - Finite difference and finite element methods. Academic Press, 237 pp.
Fetter C.W (2008) Contaminant hydrogeology. Waveland Press, 500 pp.
Freeze R.A. & Cherry J.A. (1979) Groundwater. Prentice Hall, 604 pp.
C.A.J. Appelo and D. Postma (1999) Geochemistry, groundwater and pollution. Balkema, 1994 pp.
Deutsch C.V. (2002) Geostatistical Reservoir modeling. Oxford University Press, 376 pp.
Remy N., Boucher A., Wu J (2009) Applied Geostatistics with SGeMS. Cambridge University Press, 264 pp.

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

MARINO VETUSCHI ZUCCOLINI (Presidente)

DONATO BELMONTE

GIULIO ARMANDO OTTONELLO

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

 A partire dal 26 febbraio 2018 (II Semestre)

Orari delle lezioni

IDROGEOCHIMICA

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

Verifica del progetto, Scritto

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

L’esame finale sarà basato sulla risoluzione di un problema, che potrà essere svolto a casa e/o presso l’aula informatica, in maniera autonoma dallo studente e che verrà presentato e discusso successivamente davanti alla commissione d’esame.

Calendario appelli