Indagini idrogeochimiche per la caratterizzazione degli acquiferi e proposta di un nuovo protocollo di trasmissione per il monitoraggio chimico fisico.

This thesis presents the results of a hydrogeochemical study on the aquifer Po floodplain, as a tool for the knowledge and definition of the best location of the new continuous monitoring system. The chemical characteristics of the aquifers have been investigate through 343 chemical analysis of water samples (253 from phreatic water sampling and 90 from the regional database collected in the years from 2003 to 2015). Most of the waters have Ca-HCO3 facies; few are of NaCl, CaCl and NaHCO3 types. The application of Factorial Analysis to the chemical analysis allowed identifying three different groups of water. Group 1: comprise samples affected by ion exchange processes; Group 2: waters with low pH and enriched in heavy metals. Group 3: samples with high concentration in HCO3. Climate changes such as increasing temperatures and decreasing precipitations are caused by climatic anomalies which are mirrored in groundwater’s isotopic composition. These climatic changes can be validated by means of the presence of heavy isotopes in ground water (2H and 18O) . The heavy isotopes can bring to the enrichment or the impoverishment of waters. A multidisciplinary approach is required to understand the alterations the waters are undergoing. The main effects of the climatic anomalies, which are reflected on ground water resources, are isotopic ratio depletion and increasing evaporation . They can be spotted in the isotopic ratio change and in the grade line comparing it to the North Meteoric Water Line (NMWL). The isotope composition of the waters is in the range -10.75; -6.03 for δ18O and, -71, 3 - 43, 71 for δ2H. This suggest a meteoric origin for the recharging water. The combined approaches of hydrogeochemistry and climatology have enabled us to detect those climatic processes affecting ground water resources in a more accurate way, and these approaches will represent excellent assessment tools required for controlling water balance in future research. Modelling has been use to better understand the geochemical reactions that take place and explain the groundwaters composition. The biggest changes in the geochemical composition can be attributed to changes in mineralogy and petrography of the sediment: deep waters are characterized by a marked presence of HCO3 and low Mg, the phreaticwater from an Mg marker. The phreaticwater being in contact with clays minerals and receive the magnesium through the leaching of smectite/chlorite of the sediments and then characterized in reason of their crystalline structure have a high cation exchange capacity (for Ca, Na and Mg). In the observed reactions play a determinant role ion exchange between Ca and Na and the rise of deep water rich in salt along faults and fractures thanks the decrease of density due to CH4 in solution. The methane may arise from deep sources and by locally presence of organic matter which play an important role in exchange of cations from water/soil as has been observe in an increase of the CEC (cation exchange capacity) A new monitoring transmission protocol have been create using the microcontroller ARDUINO to facilities the monitoring groundwaters practices. This card has been connect to a GSM antenna which sends data directly to a database in the cloud where is possible to read real-time data recorded. The geochemical work have represent a tool to identify sites where will be interesting to place the continuously monitoring system to expand the existing one with the introduction of new technologies. The use of this low cost and easy management tool will allow an improvement in the water resource management.

Questa tesi presenta i risultati di uno studio idrogeochimico sulla falda acquifera della pianura alluvionale nella provincia di Ferrara, come strumento per una migliore conoscenza del territorio. Le caratteristiche chimiche delle falde acquifere sono state indagare attraverso 343 analisi chimiche dei campioni di acqua (253 dal campionamento delle acque freatiche e 90 dal database regionale raccolti negli anni 2003-2015). La maggior parte delle acque hanno facies Ca-HCO3; pochi sono di tipi di NaCl, CaCl e NaHCO3. L'applicazione di analisi fattoriale alle analisi chimica ha permesso di identificare tre diversi gruppi di fattori che riducono il numero di attributi utili alla definizione dei raggruppamenti. Gruppo 1: comprendono campioni affetti da processi di scambio ionico; Gruppo 2: acque con pH basso e arricchite in metalli pesanti. Gruppo 3: campioni con alta concentrazione di HCO3. I cambiamenti climatici come l'aumento delle temperature e la diminuzione delle precipitazioni sono causate da anomalie climatiche che si riflettono in composizione isotopica di acque sotterranee. Questi cambiamenti climatici possono essere convalidate mediante la presenza di isotopi pesanti nelle acque sotterranee (2H e 18O). L’ interpretazione dei parametri climatici e un approccio statistico-idrogeochimico per lo studio dei dati su acque sotterranee sono i metodi adottati in questa ricerca. Un approccio multidisciplinare è necessario per comprendere le alterazioni alle quali le acque sono sottoposte. La composizione isotopica delle acque è nel range -10,75; -6,03 per Delta-O-18 e, -71 3 - 43, 71 per δ2H. Ciò suggerisce un origine meteorica per l'acqua ricarica. Gli approcci combinati di idrogeochimica e climatologia ci hanno permesso di rilevare i processi climatici che influenzano le risorse idriche del terreno in modo più preciso, e questi approcci rappresenteranno eccellenti strumenti di valutazione necessari per il comando bilancio idrico nella ricerca futura. I modelli geochimici sono stati usati per comprendere meglio le reazioni geochimiche che avvengono e spiegare la composizione delle acque. I maggiori cambiamenti nella composizione geochimica possono essere attribuiti a cambiamenti nella mineralogia e petrografia dei sedimenti: le acque profonde sono caratterizzate da una marcata presenza di HCO3 e basso Mg, l'acqua di superficie da un marcatore di Mg. Le acque freatiche a contatto con minerali argillosi ricevono il magnesio attraverso la lisciviazione di smectite / clorite dei sedimenti i quali hanno una capacità di scambio cationico in rapporto alla loro struttura cristallina (Ca, Na e Mg). Nelle reazioni osservate svolge un ruolo determinante scambio ionico tra Ca e Na e la risalita di acque provenienti da settori profondi le quali risalgono lungo faglie e fratture grazie alla diminuzione di densità dovuta a CH4 in soluzione. Il metano può derivare da fonti profonde e localmente dalla presenza di materiale organico che svolge un ruolo importante nello scambio di cationi da acqua / suolo il quale è stato osservato in un aumento della (capacità di scambio cationico) CEC. Per facilitare le pratiche di acquisizione dei dati di monitoraggio nell’ambito di questo lavoro è stato messo a punto un nuovo sistema di trasmissione basato su ARDUINO. Questa scheda è stata connessa ad un antenna GSM che invia i dati direttamente a un database nel cloud in cui è possibile leggere i dati in tempo reale. Il lavoro geochimici ha rappresentato uno strumento utile alla identificazione dei siti in cui sarà interessante posizionare il sistema di monitoraggio in continuo per espandere quello esistente con l'introduzione di nuove tecnologie. L'uso di questo strumento di gestione a basso costo e di facile utilizzo permetterà di migliorare la gestione delle risorse idriche.