La gestione ambientale affronta sfide significative a causa delle crescenti pressioni su sistemi naturali e infrastrutture, dovute a subsidenza, intrusione di acqua salata e rischio di allagamento. La geofisica ambientale rappresenta un insieme di tecniche non invasive essenziali per monitorare e comprendere processi naturali e antropici che influenzano la stabilità del sottosuolo. Questa ricerca presenta due applicazioni di monitoraggio geofisico: Po di Goro, ramo del Delta del Po, per valutare la stabilità del sottosuolo in un ambiente deltizio fragile e in rapido mutamento, soggetto a intrusioni di cuneo salino fluviale; e gli argini del fiume Tatarena, per valutare sicurezza e integrità strutturale di difese idrauliche in aree precedentemente colpite da cedimenti. La parte finale si concentra sullo sviluppo e validazione in laboratorio di un georesistivimetro a basso costo per applicazioni ambientali, evidenziando limiti delle apparecchiature commerciali. Per monitorare il cuneo salino sul Po di Goro, sono state effettuate diverse campagne FDEM lungo un tratto di 30 km tra il 2022 e il 2024, usando tre frequenze (4, 9 e 15 kHz) per misurare la conducibilità elettrica apparente fino a 1–3 m di profondità. La conducibilità stimata variava tra 0,0046 e 2 S/m, con elevati valori vicino a Mesola nel 2022 e successivamente solo vicino a Goro. Questo schema è stato confermato in tutte le campagne, con variazioni di posizione e intensità. Uno studio di sensibilità con TU Wien ha valutato la capacità della FDEM di risolvere il cuneo salino a diverse profondità e spessori. Tre campagne TL-ERT a Mesola, ortogonali al fiume, hanno studiato la distribuzione acqua dolce–acqua salata sotto il letto fluviale e l’interazione con l’argine, rivelando infiltrazione progressiva in strati profondi, controllata dalla stratigrafia e facilitata da lenti sabbiose ad alta permeabilità, non sempre sincronizzata con la superficie. Il secondo sito, lungo l’argine del Tatarena, è monitorato dal gennaio 2024. Il sistema comprende misure piezometriche continue, una stazione idro-pluviometrica, monitoraggio dei livelli idrici e indagini geofisiche. L’approccio prevedeva caratterizzazione preliminare della superficie e successivo monitoraggio su una zona dedicata. I dati idro-pluviometrici sono stati integrati con ERT sui primi 3,5 m, poiché la struttura sottostante rimaneva stabile. Le variazioni riflettono la saturazione del suolo durante la pioggia e le fasi di asciugatura. L’identificazione di elettro-strati permette di classificare i suoli, con indagini preferibilmente in condizioni asciutte per evitare effetti superficiali e caratterizzare correttamente lo strato di fondazione. L’integrazione di ERT con modellazione delle infiltrazioni consente di identificare complessità sotterranee non rilevabili con soli carotaggi. L’esperienza sul campo ha evidenziato la necessità di adattare la strumentazione alla complessità dei fenomeni. La parte finale ha riguardato test di laboratorio di un georesistivimetro a basso costo, con controllo remoto, basso consumo, dimensioni ridotte e acquisizione continua. Il prototipo è stato testato su modello in scala dell’argine, confrontato con apparecchiature commerciali, dimostrando precisione comparabile. Successivamente è stato impiegato per monitoraggio TL su fiume simulato in piena, con argine sollecitato da tane per simulare un cedimento.
Environmental management faces significant challenges due to increasing pressures on natural systems and infrastructure, driven by phenomena such as subsidence, saltwater intrusion, and flood risk. Environmental geophysics represents a set of non-invasive techniques essential for monitoring and understanding natural and anthropogenic processes influencing subsurface stability. This research presents two environmental geophysical monitoring applications: Po di Goro, branch of the Po Delta, assessing subsurface stability in a fragile, rapidly evolving deltaic environment affected by river salt-wedge intrusions; Tatarena river embankments, evaluating safety and structural integrity of hydraulic defences in areas previously affected by embankment failures. The last part focuses on developing and laboratory validation of a low-cost georesistivitymeter prototype for environmental monitoring, highlighting limitations of common commercial equipment. In order to monitor the salt wedge on the Po di Goro River, continuous monitoring with several FDEM surveys was conducted along a 30 km reach between 2022 and 2024. Three frequencies (4, 9, 15 kHz) were used to obtain apparent electrical conductivity values to a depth of 1–3 m. The estimated apparent conductivity ranged from 0.0046 to 2 S/m, highlighting large spatial variability over the years, with high values (high salinity) in 2022 near Mesola, and later only near Goro. This pattern was observed across all campaigns, although location and intensity varied. A sensitivity study with TU Wien assessed the FDEM capability to resolve the salt wedge at different depths and thicknesses. Additionally, three time-lapse electrical resistivity tomography (TL-ERT) surveys were conducted in Mesola, orthogonal to the river, to investigate freshwater–saltwater distribution below the riverbed and its interaction with the Po di Goro embankment. Results reveal progressive saline infiltration into deeper layers, controlled by local stratigraphy and facilitated by high-permeability sandy lenses, processes not always synchronized with surface dynamics. The second site, along the Tatarena River embankment, has been monitored since January 2024. The system included continuous piezometric measurements, a hydro-pluviometric station, water level monitoring, and geophysical surveys. The geophysical approach included preliminary characterization of the embankment surface and, subsequently, monitoring with a geophysical system on a dedicated zone. Hydro-pluviometric data were integrated with ERT focused on the upper 3.5 m, since geoelectrical structure below remained stable with no temporal variations. These variations correlate with hydrogeological conditions, reflecting soil saturation during rainfall and subsequent drying. Identification of distinct electro-layers is used to classify soil types, with surveys preferably under dry conditions to minimize rainfall effects and ensure the phreatic surface is not close to ground level, allowing correct characterization of the foundation layer. Integrating ERT monitoring with seepage modelling provides an extended stratigraphic framework, identifying subsurface complexities not captured by boreholes alone. Field experience indicated the need to adapt instrumentation to the complexity of the phenomena. The last part of the research focused on laboratory testing of a georesistimeter prototype, following field experience and practical needs: low cost, remote control, low power consumption, small size, continuous acquisition. The prototype was tested on a scaled embankment model. Initial tests compared results with commercial equipment, demonstrating comparable accuracy and confirming suitability. Subsequently, the prototype was applied for time-lapse monitoring on a simulated river in flood, with the embankment stressed by buried burrows to simulate a levee break.
Non-Invasive Geophysical Techniques for Environmental Monitoring
BOLDRIN, PAOLA
2026
Abstract
La gestione ambientale affronta sfide significative a causa delle crescenti pressioni su sistemi naturali e infrastrutture, dovute a subsidenza, intrusione di acqua salata e rischio di allagamento. La geofisica ambientale rappresenta un insieme di tecniche non invasive essenziali per monitorare e comprendere processi naturali e antropici che influenzano la stabilità del sottosuolo. Questa ricerca presenta due applicazioni di monitoraggio geofisico: Po di Goro, ramo del Delta del Po, per valutare la stabilità del sottosuolo in un ambiente deltizio fragile e in rapido mutamento, soggetto a intrusioni di cuneo salino fluviale; e gli argini del fiume Tatarena, per valutare sicurezza e integrità strutturale di difese idrauliche in aree precedentemente colpite da cedimenti. La parte finale si concentra sullo sviluppo e validazione in laboratorio di un georesistivimetro a basso costo per applicazioni ambientali, evidenziando limiti delle apparecchiature commerciali. Per monitorare il cuneo salino sul Po di Goro, sono state effettuate diverse campagne FDEM lungo un tratto di 30 km tra il 2022 e il 2024, usando tre frequenze (4, 9 e 15 kHz) per misurare la conducibilità elettrica apparente fino a 1–3 m di profondità. La conducibilità stimata variava tra 0,0046 e 2 S/m, con elevati valori vicino a Mesola nel 2022 e successivamente solo vicino a Goro. Questo schema è stato confermato in tutte le campagne, con variazioni di posizione e intensità. Uno studio di sensibilità con TU Wien ha valutato la capacità della FDEM di risolvere il cuneo salino a diverse profondità e spessori. Tre campagne TL-ERT a Mesola, ortogonali al fiume, hanno studiato la distribuzione acqua dolce–acqua salata sotto il letto fluviale e l’interazione con l’argine, rivelando infiltrazione progressiva in strati profondi, controllata dalla stratigrafia e facilitata da lenti sabbiose ad alta permeabilità, non sempre sincronizzata con la superficie. Il secondo sito, lungo l’argine del Tatarena, è monitorato dal gennaio 2024. Il sistema comprende misure piezometriche continue, una stazione idro-pluviometrica, monitoraggio dei livelli idrici e indagini geofisiche. L’approccio prevedeva caratterizzazione preliminare della superficie e successivo monitoraggio su una zona dedicata. I dati idro-pluviometrici sono stati integrati con ERT sui primi 3,5 m, poiché la struttura sottostante rimaneva stabile. Le variazioni riflettono la saturazione del suolo durante la pioggia e le fasi di asciugatura. L’identificazione di elettro-strati permette di classificare i suoli, con indagini preferibilmente in condizioni asciutte per evitare effetti superficiali e caratterizzare correttamente lo strato di fondazione. L’integrazione di ERT con modellazione delle infiltrazioni consente di identificare complessità sotterranee non rilevabili con soli carotaggi. L’esperienza sul campo ha evidenziato la necessità di adattare la strumentazione alla complessità dei fenomeni. La parte finale ha riguardato test di laboratorio di un georesistivimetro a basso costo, con controllo remoto, basso consumo, dimensioni ridotte e acquisizione continua. Il prototipo è stato testato su modello in scala dell’argine, confrontato con apparecchiature commerciali, dimostrando precisione comparabile. Successivamente è stato impiegato per monitoraggio TL su fiume simulato in piena, con argine sollecitato da tane per simulare un cedimento.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
