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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 1 (2012)
© Casa Editrice Università La Sapienza
www.ijege.uniroma1.it
DOI: 10.4408/IJEGE.2012-01.O-02
G
ianmarco
DI DIO
(*)
(*)
Servizio Tecnico dei Bacini degli Affluenti del Po - Via Garibaldi 75 - 43123 Parma, Italy
E-mail: gdidio@regione.emilia-romagna.it
MODELLO NUMERICO DI FLUSSO DEL BACINO IDROGEOLOGICO DELLA CONOIDE
ALLUVIONALE DEL FIUME TARO (REGIONE EMILIA-ROMAGNA, ITALIA SETTENTRIONALE):
SIMULAZIONE DEGLI SCAMBI IDRICI TRA FIUME E ACQUIFERI
MODELLING GROUNDWATER-STREAM WATER INTERACTIONS IN THE TARO RIVER
HYDROGEOLOGICAL BASIN (WESTERN EMILIA-ROMAGNA REGION, NORTHERN ITALY)
RIASSUNTO
Il Bacino Idrogeologico della Conoide Alluvionale del fiume Taro
(BICAT) è un sistema idrologico impostato su un edificio sedimenta-
rio di origine alluvionale incluso nel Bacino Quaternario del Fiume
Po e situato nella parte occidentale della Regione Emilia-Romagna,
tra il margine dell’Appennino Settentrionale ed il Fiume Po. La por-
zione di bacino satura di acque dolci ha uno spessore compreso tra
pochi metri ed oltre settecento metri. Per sostenere le attività eco-
nomiche e le richieste di acqua potabile della popolazione residente
nella Provincia di Parma, ogni anno si sottraggono al BICAT circa
90 Mm
3
di acqua di falda e 50 Mm
3
di acqua superficiale. Allo scopo
di valutare la sostenibilità di tali prelievi è stato creato un modello
matematico 3D del BICAT in cui un modello a elementi finiti 3D di
sottosuolo è accoppiato, tramite condizioni al contorno di Cauchy, ad
un modello ad elementi finiti 1D del sistema idrologico superficiale
Taro-Po. Questo modello è stato calibrato direttamente in stato non
stazionario, simulando i flussi idrici superficiali e sotterranei nel pe-
riodo maggio 2005 - ottobre 2006. L’accoppiamento del modello 3D
di sottosuolo con quello 1D di superficie ha permesso di mappare in
modo affidabile le zone di scambio fiume-falda e di valutare la rica-
rica degli acquiferi nelle più svariate condizioni di deflusso fluviale.
T
ermini
chiave
: acque superficiali, acquiferi, ricarica, modello numerico 3D
INTRODUZIONE
Il Bacino Idrogeologico della Conoide Alluvionale del fiume Taro
(BICAT) è un sistema idrologico impostato su un edificio sedimenta-
rio di origine deltizia ed alluvionale incluso nel Bacino del Fiume Po,
ampia conca sedimentaria, subsidente, delimitata a cintura dai rilievi
appenninici ed alpini e colmata da un potente accumulo di depositi
marini ed alluvionali di età quaternaria. Il BICAT è situato nella parte
occidentale della Regione Emilia-Romagna e si estende in superficie
per circa 560 km
2
tra il margine dell’Appennino Settentrionale a sud
ed il Fiume Po a nord (Fig. 1). Dal punto di vista geomorfologico
esso comprende la Conoide Alluvionale del Fiume Taro e la Pianura
Alluvionale Padana prospiciente.
Lo studio geologico e idrostratigrafico del BICAT è stato con-
dotto dal Servizio Geologico della Regione Emilia-Romagna nel de-
ABSTRACT
The Taro River Hydrogeological Basin (TRHB) is a small fan-
delta and alluvial fan depositional systems water bearing stack in-
cluded in the Quaternary Po River Basin and located in the West-
ern Emilia-Romagna Region of Italy, between the margin of the
Northern Apennines and the Po River. The thickness of the fresh
water bearing, part of TRHB, ranges from a few meters to more
than seven hundred meters. Almost 90 Mm
3
of groundwater and
50 Mm
3
of stream water are yearly subtracted from the TRHB to
sustain economic activities and drinking water demand of Parma
Province population. A 3D mathematical model of TRHB has been
built to evaluate the long-term sustainability of this consumption.
The subsurface 3D finite element model is coupled via Cauchy type
boundary conditions to a 1D finite element model of the Taro and
Po rivers. This model of TRHB has been directly calibrated un-
der transient-state conditions, simulating groundwater seepage and
stream flows in the period between May 20
th
2005 and October 31
st
2006. Coupling of the 3D subsurface model with the 1D surface
model leaded to a reliable assessment of stream-aquifer connectiv-
ity, aquifer recharge and mapping of exchange areas under the most
various stages of the river flow.
K
ey
words
: groundwater, stream water, aquifer recharge, 3D modelling
INTRODUCTION
The Taro River Hydrogeological Basin (TRHB) is a hydrologic
system based on a relatively small stack of fan-delta and alluvial
fan depositional systems included in the Po River Basin, large sub-
siding sedimentary trough bordered by alpine orogenic reliefs and
filled by huge amounts of Quaternary marine and alluvial deposits.
It is located in the Western Emilia-Romagna Region of Italy (Fig.
1), where it covers a surface extension of about 560 km
2
. Geomor-
phologically speaking, it embraces the Taro River Alluvial Fan and
the facing Po River Plain.
The study of the TRHB has been conducted during the decade
1995-2005 by the Geological Survey of Emilia Romagna as a lo-
cal deepening of a former regional study about geology, sequence
stratigraphy and groundwater resources of the Quaternary depo-
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MODELLO NUMERICO DI FLUSSO DEL BACINO IDROGEOLOGICO DELLA CONOIDE ALLUVIONALE DEL FIUME TARO
(REGIONE EMILIA-ROMAGNA, ITALIA SETTENTRIONALE): SIMULAZIONE DEGLI SCAMBI IDRICI TRA FIUME E ACQUIFERI
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G. D
i
D
io
sitional systems and as an upgrade of the knowledge in that field
acquired in the 70’s (ENI, 1972; V
enzo
, 1973; P
etrucci
et alii,
1975; r
eGione
e
milia
-r
omaGna
/IDROSER, 1978). Merging the
sequence-stratigraphic approach, typical of petroleum exploration,
with the pedologic approach followed by geomorphologists, this re-
gional study resulted in a new evolutionary model, both stratigraphic
and hydrogeologic, of the whole Po River Basin (D
i
D
io
, 1996; D
i
D
io
et alii, 1997; D
i
D
io
, 1998; r
eGione
e
milia
-r
omaGna
& eni-
aGiP, 1998; r
eGione
l
ombarDia
& e
ni
D
iVisione
a
GiP
, 2001; D
i
D
io
, 2005). Figure 2 shows the stratigraphic and hydrostratigraphic
framework of TRHB ensuing those studies.
If we consider the 3D hull of the TRHB, the base of the hydro-
logic system is constituted by the fine-grained, impervious, Lower
Pleistocene marine deposits of the Torrente Stirone Synthem. Its
northern boundary is represented by the vertical section of a 25.64
km long stretch of the Po River, while its southern boundary is repre-
sented in part by the outcrop of the bottom surface of the Costamez-
zana Synthem and in part by the Taro River Fan apex (Fig. 3). The
western boundary of the solid hull is a vertical section running along
the alignment of the Fidenza, Soragna and Pieveottoville villages, in
correspondence to the eastern boundary of the Stirone River Alluvial
Fan. The eastern boundary of the studied terrain volume is a vertical
section running first along the Baganza River for 5 km and then, to-
wards NNE, up to the Colorno village along the western boundary of
the Baganza and Parma Rivers Alluvial Fans.
At the Fan apex the Taro River waters come out of the mountain
cennio 1995-2005, come approfondimento di uno studio sulle riserve
idriche sotterranee, regionali, intrapreso per aggiornare le conoscenze
sulla materia, ferme dalla fine degli anni 70 (ENI, 1972; V
enzo
, 1973;
P
etrucci
et alii, 1975; r
eGione
e
milia
-r
omaGna
/iDroser, 1978).
Nel corso degli anni, l’interpretazione stratigrafica del sottosuolo, ri-
sultato dell’integrazione delle metodologie fisico-stratigrafiche e se-
dimentologiche, tipiche della ricerca petrolifera degli ultimi 30 anni,
con le metodologie più tradizionali di derivazione geomorfologica e
pedologica, si è concretizzata in un modello evolutivo tridimensio-
nale, stratigrafico ed idrogeologico, dell’intero Bacino del Fiume Po
(D
i
D
io
, 1996; D
i
D
io
et alii, 1997; D
i
D
io
, 1998; Regione Emilia-
Romagna & ENI-AGIP, 1998; r
eGione
l
ombarDia
& e
ni
D
iVisione
a
GiP
, 2001; D
i
D
io
, 2005). La figura 2 illustra lo schema stratigrafico
ed idrostratigrafico del BICAT derivante da tali studi.
La base del sistema idrologico è costituita dai depositi fini, imper-
meabili, di origine marina e di età pleistocenica inferiore, ascrivibili
al Sintema del Torrente Stirone. Il limite settentrionale del BICAT è
costituito dalla proiezione verticale di un tratto di Fiume Po lungo
25.64 km, mentre il suo confine meridionale è rappresentato in parte
dall’affioramento della base del Sintema di Costamezzana, lungo il
Margine dell’Appennino Settentrionale, ed in parte dall’apice della
conoide alluvionale del Fiume Taro (Fig. 3). Il confine occidentale
dell’area di studio corre lungo l’allineamento dei centri abitati di Fi-
denza, Soragna e Pieveottoville, proprio in corrispondenza del limite
orientale della Conoide Alluvionale del Torrente Stirone, affluente di
sinistra del Fiume Taro. Il confine orientale dell’area di studio corre
Fig. 1 - Inquadramento geografico dell’area
di studio. In giallo il confine della
Regione Emilia-Romagna; in nero
il confine della Provincia di Parma.
L’area marrone individua il Bacino
Idrogeologico della Conoide Alluvio-
nale del fiume Taro; l’area verde in-
dividua il Bacino Imbrifero Montano
del fiume Taro
- Geographic framework of the study
area. In yellow the boundary of Emil-
ia-Romagna Region comprised in
Northern Italy; in black the boundary
of Parma Province. The brown area
identifies the Taro River Hydrogeo-
logical Basin; the green area identifies
the Taro River Mountain Watershed
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MODELLING GROUNDWATER-STREAM WATER INTERACTIONS IN THE TARO RIVER HYDROGEOLOGICAL BASIN
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per circa 5 km lungo l’alveo del Torrente Baganza, quindi continua
verso NNE seguendo il limite occidentale delle Conoidi Alluvionali
dei Torrenti Baganza e Parma, posto approssimativamente lungo l’al-
lineamento dei centri abitati di Felino, Parma e Colorno.
In corrispondenza dell’apice della conoide, le acque del Fiu-
me Taro escono dal Bacino Imbrifero Montano, caratterizzato da
watershed, characterized by a catchment area of 1246.21 km
2
and a
mean elevation of 730 m a.m.s.l., and enter the hydrogeological ba-
sin through a Transfer Zone, i.e. a zone without surface water and
groundwater reservoirs (Fig. 3).
The thickness of the fresh water bearing part of TRHB, object of
this study, is therefore very variable, ranging from a few meters along
the Apennine Piedmont border and in the Transfer Zone to more than
seven hundred meters underneath the confluence of Taro and Po riv-
ers. The total terrain volume exceeds 200˙000 Mm
3
while the fresh
groundwater resources exceed 20˙000 Mm
3
.
Many important agro-industrial companies are concentrated in
the study area. Almost 90 Mm
3
of groundwater are yearly subtracted
from the TRHB to sustain economic activities and drinking water
demand of Parma Province population. Moreover, every summer in
the Transfer Zone 50 Mm
3
of stream water are derivated from the
Taro River for irrigation purposes, generating huge environmental
impacts. It’s evident that integrated management of surface water
and groundwater is essential to ensure sustainability of the water
resource. To evaluate and plan out the long-term sustainability of
this consumption, through the deep understanding of the recharg-
ing capabilities of the hydrogeological basin, the Emilia-Romagna
Regional Government endowed itself with a groundwater and sur-
face water management system based upon a very detailed math-
ematical simulation 3D model of TRHB.
Fig. 3 - Mappa del Bacino Idrogeologico della Conoide Alluvionale del fiu-
me Taro. A: Zona di Trasferimento
- Map of Taro River Hydrogeological Basin. A: Transfer Zone
Fig. 2 - Schema stratigrafico, idrostratigrafico e discretizzazione verticale
del Bacino Idrogeologico della Conoide Alluvionale del fiume Taro
(modificato da Di Dio et Al., 2005). LEGENDA: U: Unità Strati-
grafico-Deposizionali; S: Scala Cronostratigrafica; GA: Gruppo Ac-
quifero; CA: Complesso Acquifero; L: Livelli di discretizzazione
verticale del modello 3D; ATS: Sintema del Torrente Stirone; CMZ:
Sintema di Costamezzana; AEI: Sintema Emiliano-Romagnolo
Inferiore; AES: Sintema Emiliano-Romagnolo Superiore; LPL:
Pleistocene Inferiore; MPL: Pleistocene Medio; UPL: Pleistocene
Superiore - Olocene
- Stratigraphic and hydrostratigraphic framework of Taro River
Hydrogeological Basin (modified by Di Dio et alii, 2005). LEG-
END: U: Stratigraphic-Depositional Units; S: Chronostratigraphic
Scale (in My); GA: Aquifer Group; CA: Aquifer Complex; L: Lay-
ers of the 3D mathematical model; ATS: Torrente Stirone Synthem;
CMZ: Costamezzana Synthem; AEI: Lower Emiliano-Romagnolo
Synthem; AES: Upper Emiliano-Romagnolo Synthem; LPL: Lower
Pleistocene; MPL: Middle Pleistocene; UPL: Upper Pleistocene -
Holocene
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MODELLO NUMERICO DI FLUSSO DEL BACINO IDROGEOLOGICO DELLA CONOIDE ALLUVIONALE DEL FIUME TARO
(REGIONE EMILIA-ROMAGNA, ITALIA SETTENTRIONALE): SIMULAZIONE DEGLI SCAMBI IDRICI TRA FIUME E ACQUIFERI
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io
un’estensione pari a 1246.21 Km
2
e da una quota media di 730
m s.l.m., ed entrano nel BICAT attraversando una Zona di Tra-
sferimento, vale a dire una zona in cui non esiste la possibilità
di invasare tali acque né in superficie, né in sottosuolo (Fig. 3).
La porzione di BICAT satura di acque dolci, oggetto del presente
studio, ha quindi uno spessore molto variabile, compreso tra i po-
chi metri, lungo il Margine Appenninico e nella Zona di Trasferi-
mento, e gli oltre settecento metri al di sotto della confluenza tra i
Fiumi Taro e Po. Il volume totale del bacino saturo in acque dolci
supera i 200˙000 Mm
3
e le riserve idriche sotterranee ammontano
ad oltre 20˙000 Mm
3
.
Nell’area di studio si concentrano molte attività agro-industriali
di rilievo. Per sostenere le attività economiche e le richieste di ac-
qua potabile della popolazione residente nella Provincia di Parma,
ogni anno si sottraggono al BICAT circa 90 Mm
3
di acqua di falda.
Inoltre, ogni estate, nella Zona di Trasferimento si derivano circa
50 Mm
3
di acqua dal Fiume Taro a scopo irriguo, causando un im-
patto ingente sull’ambiente. Da questi numeri appare chiaro che la
sostenibilità dello sfruttamento delle risorse idriche dipende da una
gestione equilibrata ed integrata delle falde e delle acque fluviali.
Allo scopo, quindi, di valutare e pianificare la sostenibilità di tali
prelievi, attraverso la piena comprensione della dinamica e della
capacità di ricarica del bacino idrogeologico, la Regione Emilia-
Romagna si è dotata di un sistema integrato di gestione delle acque
superficiali e sotterranee basato su un modello matematico 3D mol-
to dettagliato del BICAT.
COSTRUZIONE DEL MODELLO IDROGEOLOGICO
CONCETTUALE
Il modello di simulazione dei flussi idrici sotterranei nel BICAT
si basa su un’architettura dettagliata delle Unità Stratigrafico - Depo-
sizionali (ISSC, 1976) e delle corrispondenti Unità Idrostratigrafiche
(m
axey
, 1964) illustrate in Figura 2. Tale architettura è stata definita
mediante la realizzazione di un reticolo di sezioni idrostratigrafiche,
complessivamente lungo 683 km, sviluppato attraverso lo studio
strutturale e stratigrafico-sequenziale degli affioramenti sul Margine
Appenninico e la correlazione di 2153 stratigrafie di pozzi e sondaggi
raccolte in un’apposita Banca Dati (Fig. 4).
Sono state distinte 3 Unità Idrostratigrafiche di rango superiore,
denominate Gruppi (di) Acquiferi, che affiorano sul margine meridio-
nale del BICAT per poi immergersi verso nord al di sotto dei sedimenti
depositati dal Fiume Po e dai suoi affluenti negli ultimi 18.000 anni,
contenenti acquiferi di scarsa potenzialità (A0). I corpi geologici che
fungono da acquiferi sono costituiti da sedimenti ghiaiosi e sabbiosi
di origine deltizia ed alluvionale, deposti dai paleo-fiumi Taro e Po a
partire da oltre 1 milione di anni fa. Ciascun Gruppo Acquifero risulta
idraulicamente separato, almeno per buona parte della sua estensione,
da quelli sovrastanti e sottostanti, grazie a barriere di permeabilità svi-
luppate a scala regionale. Al suo interno ogni Gruppo Acquifero è com-
posto da serbatoi acquiferi sovrapposti e giustapposti, parzialmente o
BUILDING THE CONCEPTUAL HYDROGEOLOGI-
CAL MODEL
The Basin groundwater flow simulation model is based on a
detailed framework of the Stratigraphic-Depositional Units (ISSC,
1976) and the corresponding Hydrostratigraphic Units (m
axey
, 1964)
showed in Fig. 2. To define this framework a network of hydrostrati-
graphic sections has been developed for an overall length of 683 km,
resulting from the structural and sequence-stratigraphic study of the
Apennine Margin outcrops and the correlation of 2153 well logs col-
lected in a Data Base (Fig. 4).
Three main Hydrostratigraphic Units, called Aquifer Groups,
have been mapped: they outcrop on the southern border of TRHB
and then dip northwards under the mainly fine grained alluvial de-
posits recording the last 18.000 years of the Po River Plain evolu-
tion (A0). Fluvial and deltaic, sandy gravel bodies form the ground-
water reservoirs deposited by Taro and Po paleo-rivers since over 1
Million years. Thanks to regionwide extended bottom permeability
Fig. 4 - Carta delle Unità Stratigrafico - Deposizionali, terrazzate e affio-
ranti, in cui si riportano la distribuzione dei 2153 pozzi e sondaggi
raccolti nella Banca Dati e il reticolo delle sezioni idrostratigrafiche
utilizzate per costruire il modello idrogeologico 3D del Bacino. La
legenda delle Unità è la stessa di Fig. 2
- Map of outcropping and terraced Stratigraphic-Depositional Units
with the Data Base of the 2153 wells and boreholes distribution and
the network of hydrostratigraphic sections designed to build the 3D
hydrogeologic model of the Basin. Units legend as in Fig. 2
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totalmente isolati tra loro, suddivisi in Complessi e Sistemi (di) Acqui-
feri. Le principali barriere di permeabilità sono costituite da corpi geo-
logici decametrici, a prevalente granulometria fine, interpretabili come
sistemi deposizionali di prodelta, interconoide e bacino interfluviale,
che si sovrappongono e giustappongono ai sistemi deposizionali fluvio
- deltizi e di conoide alluvionale, ricchi in materiali grossolani.
Lo scheletro del modello idrogeologico 3D del BICAT è illustrato
nella Fig. 5. Tuttavia, per ragioni di chiarezza, nella figura non sono
rappresentate tutte le 19 superfici che delimitano i 18 livelli, definiti
in Fig. 2, in cui è stato possibile suddividere il BICAT.
Per ciascuno dei livelli individuati è stata elaborata una mappa
della distribuzione di ghiaie+sabbie in percentuale sullo spessore
totale dell’Unità. Questo tipo di mappa è la base su cui definire, sia
in prima approssimazione sia in fase di calibrazione del modello
numerico, la distribuzione areale dei parametri idrogeologici (Kh e
Kv: Conducibilità Idraulica orizzontale e verticale; n: Porosità effi-
cace; Ss: Coefficiente di Immagazzinamento Specifico) all’interno
di ogni Unità Idrostratigrafica (Fig. 6). In particolare, i parametri
idrogeologici impostati in fase di allestimento del modello derivano
da prove di pompaggio e di permeabilità in sito reperite in lettera-
tura, dall’elaborazione, eseguita con il metodo di c
assan
(1980), di
decine di prove di pozzo a gradini e da prove di pompaggio di lunga
durata e prove con traccianti effettuate appositamente per questo
progetto su 9 campi pozzo industriali e acquedottistici. La variabi-
lità dei parametri idrogeologici all’interno dei 18 livelli definiti è
riassunta nella Tab. 1 (parametri calibrati):
Si noti la Conducibilità Idraulica verticale minima, pari a 1 • 10
-15
m/s, attribuita alle barriere di permeabilità. Essa esprime la deviazio-
ne dalla linearità che subisce la Legge di Darcy nei terreni argillosi,
nel caso in cui il gradiente idraulico sia inferiore a un valore soglia
barriers, each Aquifer Group is hydraulically separated, for most of
its extension, by the overlying and underlying units. Inside every
Aquifer Group there are distinct reservoirs and local permeability
barriers; they can therefore be subdivided into Aquifer Complexes
and these last, in their turn, can be subdivided into partially or total-
ly confined Aquifer Systems. Each reservoirs system is laterally and
vertically confined by very thick and fine grained geological bod-
ies (permeability barriers), interpretable as prodelta or interfluvial
plain and flood basin depositional systems. Figure 5 shows the 3D
simplified skeleton of TRHB. For the sake of evidence not all the 19
surfaces bounding the 18 hydrostratigraphic layers comprised into
the TRHB have been represented.
For each of the 18 hydrostratigraphic layers, a gravels+sands
isopercent map has been elaborated from the Data Base analysis.
This kind of maps represents the base for setting the spatial dis-
tribution of the hydrogeologic parameters (Kh e Kv: Along Layer
and Across Layer Hydraulic Conductivity; n: effective Porosity; Ss:
Storage Compressibility) inside each Hydrostratigraphic Unit, ei-
ther on first approximation that during the model calibration (Fig.
6). In particular, first approximation hydrogeologic parameters
come from previously published pumping tests and in situ perme-
ability tests, from tens of step-drawdown tests on wells, elaborated
with the c
assan
method (1980) and from multiple borehole tests
and tracer tests specifically developed for this project on 9 indus-
trial and drinking water well fields. The variability of hydrogeologic
parameters inside each of the 18 hydrostratigraphic layers is sum-
marized in Tab. 1 (calibrated parameters):
A vertical Hydraulic Conductivity of 1 • 10
-15
m/s is assigned to
permeability barriers. This very low conductivity follow the exper-
imental evidences that in compact clays Darcy’s Law depart from
Fig. 5 - Architettura idrostratigrafica 3D, semplifi-
cata, del BICAT. LEGENDA: 1) Apice di
Conoide; 2) Zona di Trasferimento; 3) Base
del Gruppo Acquifero C; 4) Base del Gruppo
Acquifero B; 5) Base del Gruppo Acquifero A
- 3D simplified hydrostratigraphic frame-
work of TRHB. LEGEND: 1) Fan Apex; 2)
Transfer Zone; 3) Bottom of Aquifer Group
C; 4) Bottom of Aquifer Group B; 5) Bottom
of Aquifer Group A
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MODELLO NUMERICO DI FLUSSO DEL BACINO IDROGEOLOGICO DELLA CONOIDE ALLUVIONALE DEL FIUME TARO
(REGIONE EMILIA-ROMAGNA, ITALIA SETTENTRIONALE): SIMULAZIONE DEGLI SCAMBI IDRICI TRA FIUME E ACQUIFERI
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G. D
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io
che sembra compreso tra 20 e 30 (
De
m
arsily
, 1986; c
estelli
G
uiDi
,
1987). Qualunque sia il valore soglia, resta il fatto che il valore di
Conducibilità Idraulica verticale ricavato comunemente dalle prove
edometriche (tra 1 • 10
-11
e 1 • 10
-8
m/s) si ottiene imponendo ai cam-
pioni di terreno gradienti idraulici migliaia di volte superiori a quelli
riscontrabili in campagna e pertanto non si ritiene corretto utilizzarlo
nella modellistica dei bacini idrogeologici.
Per rendere conto della compartimentazione idrogeologica del
linearity when hydraulic gradient fall under a threshold being prob-
ably worth between 20 and 30 (
De
m
arsily
, 1986; c
estelli
G
uiDi
,
1987). Whatever the threshold real value, the vertical Hydraulic
Conductivity of compact clays coming from oedometric tests (be-
tween 1 • 10
-11
and 1 • 10
-8
m/s) results too high and unsuitable
for hydrogeologic basin modelling as it is obtained applying to the
sample hydraulic gradients thousands of times higher than those
measurable in the field.
Fig. 6 - Distribuzione della Con-
ducibilità Idraulica oriz-
zontale in alcune Unità
Idrostratigrafiche del mo-
dello. I numeri si riferisco-
no al livello idrostratigra-
fico di Fig. 2. LEGENDA:
Kh: Conducibilità Idrau-
lica orizzontale (1 • 10-4
m/s); T: Unità Idrostrati-
grafiche terrazzate.
- Horizontal
Hydraulic
Conductivity
distribu-
tion in some Hydrostrati-
graphic Layers of the
model. Numbers refer to
the Layers in Fig. 2. LEG-
END: Kh: Along Layer
Hydraulic Conductivity
(1 • 10-4 m/s); T: terraced
Hydrostratigraphic Units.
Tab. 1 - Variabilità dei parametri idrogeo-
logici, calibrati, all’interno dei 18
livelli del modello
- Variability of hydrogeologic cali-
brated parameters inside each of
the 18 hydrostratigraphic layers of
the model
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BICAT, sono state studiate attentamente sia la piezometria nelle di-
verse Unità Idrostratigrafiche sia le caratteristiche idrochimiche delle
acque sotterranee. Al tal fine è stata allestita una rete di monitoraggio
costituita da 192 punti di misura (Fig. 7): le misure piezometriche e le
analisi idrochimiche eseguite alla fine del mese di maggio 2005 sono
state elaborate congiuntamente alle altezze idrometriche dei fiumi Po,
Taro e Baganza registrate nello stesso periodo, in modo da ricostrui-
re le superfici piezometriche relative ai Complessi Acquiferi A0, A1,
A2, A3+A4, B e C (Fig. 8).
La costruzione del modello idrogeologico concettuale è stata
completata con le condizioni al contorno date da:
1. I prelievi da pozzo. Alla fine di maggio del 2006 nell’area di
studio era nota l’attività di 2134 pozzi non domestici. Dei 116
pozzi più importanti, vale a dire i 30 pozzi dell’acquedotto pub-
blico, i 9 pozzi irrigui consortili e i 77 pozzi industriali con un
prelievo annuo maggiore di 100.000 m
3
, sono state registrate le
portate medie mensili. Tali curve di portata sono state applicate al
modello nei punti e nei livelli idrostratigrafici corrispondenti alla
posizione reale dei pozzi e dei filtri. I 59 pozzi industriali con un
prelievo annuo minore di 100.000 e maggiore di 3650 m
3
sono
stati inseriti nel modello singolarmente, considerandoli a portata
costante. Tutti gli altri pozzi sono stati suddivisi in classi di ag-
gregazione in funzione dei Gruppi Acquiferi captati e dell’areale
To account for the hydrogeologic partitioning of TRHB, the
piezometric levels inside each Hydrostratigraphic Unit and the hy-
drochemical characterization of groundwaters have been carefully
studied. Just for these purposes a specific groundwater monitoring
network comprising 192 piezometers has been set up (Fig. 7): piezo-
metric levels, hydrochemical analysis and hydrographs of Po, Taro
and Baganza Rives recorded at the end of May 2005 have been elabo-
rated to produce the piezometric contours of Aquifer Complexes and
Groups A0, A1, A2, A3+A4, B and C (Fig. 8).
The following boundary conditions complete the building of the
conceptual hydrogeological model:
1. Pumping water wells. At the end of May of 2005 in the study
area there were 2,134 water wells granted for economic purpo-
ses. The monthly mean discharges of the most important wells,
that is to say the 30 wells of the public aqueduct, the 9 irriga-
tion wells of the agricultural unions and the 77 industrial wells
pumping more than 100,000 cubic meters per year, have been
recorded. These discharge logs have been put into the model one
by one, respecting the actual topographic and hydrostratigraphic
position of the wells and their screens. Even the 59 industrial
wells pumping more than 3,650 but less than 100,000 cubic
meters per year have been put into the model one by one, but
considering constant pumping rates. All the other wells (1,320
Fig. 7 - Reti di monitoraggio idrometrico e piezometrico
- Groundwater and stream water monitoring network
Fig. 8 - Piezometrie dei Complessi Acquiferi A0, A1, A2, A3+A4, B e C costruite con le misure
effettuate il 20 Maggio 2005 (condizioni iniziali del modello). Equidistanza isopieze: 10 m
- Piezometric contours of Aquifer Complexes and Groups A0, A1, A2, A3+A4, B and C
elaborated from measurements recorded on 20 May 2005 (initial conditions of the model).
Contour lines every ten meters
background image
MODELLO NUMERICO DI FLUSSO DEL BACINO IDROGEOLOGICO DELLA CONOIDE ALLUVIONALE DEL FIUME TARO
(REGIONE EMILIA-ROMAGNA, ITALIA SETTENTRIONALE): SIMULAZIONE DEGLI SCAMBI IDRICI TRA FIUME E ACQUIFERI
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G. D
i
D
io
irriguo in cui ricadono. Quindi sono stati definiti dei volumi idro-
stratigrafici ai quali è stata applicata la curva di pompaggio che
risulta dalla somma delle portate dei singoli pozzi che ciascun
volume racchiude. L’aggregazione spaziale è stata eseguita su
1320 pozzi irrigui, 476 pozzi zootecnici e 163 pozzi assimilabili a
domestici e industriali con portata minore di 10 m
3
/g. Si è assunto
che i pozzi zootecnici ed assimilati ai domestici funzionassero a
pompaggio costante, mentre per i pozzi irrigui sono state costrui-
te delle curve di portata variabili nel tempo in relazione all’anda-
mento di pioggia e temperatura registrati nelle stazioni idro-mete-
orologiche regionali. Nella calibrazione del modello matematico,
tuttavia, vista l’impossibilità di effettuare misure dirette, i prelievi
da pozzo per uso irriguo sono stati trattati come una variabile da
calibrare, vincolata a non superare un valore massimo mensile.
2. Gli apporti meteorici netti. La ricarica zenitale giornaliera è
stata calcolata dal Servizio Geologico e Pedologico della Re-
gione Emilia-Romagna con il modello matematico MACRO
(l
arsson
& J
arVis
, 1999). MACRO calcola il flusso idrico nei
suoli coltivati sulla base dei dati pedologici, colturali e meteo-
climatici. Benché disponibile su tutta l’area di studio, la ricarica
zenitale giornaliera non è stata implementata su gran parte della
media e bassa pianura (Fig. 9). In tali zone, infatti, esistono, nei
primi metri di terreno al di sotto del suolo, falde minori e falde
sospese connesse alla rete dei canali irrigui e separate idrau-
licamente dagli acquiferi principali. Questo sistema idrologico
pellicolare non è né descritto né preso in considerazione dal mo-
dello matematico in questione.
3. I carichi idraulici imposti all’apice della conoide, lungo il suo
bordo meridionale e localmente sui margini del modello. Le
condizioni al contorno di carico imposto sono state utilizzate su
porzioni del margine meridionale e sud-occidentale del Gruppo C
e in varie porzioni di margine del Gruppo A per condizionare il
modello nel modo idrogeologicamente più aderente alla realtà. In
particolare le condizioni di carico imposto per il Gruppo C (Fig.10:
quadri n.15 e 19) simulano le condizioni di alimentazione lungo
il margine collinare meridionale e sud-occidentale: esse in parte
discendono dai rilievi piezometrici effettuati su piezometri selettivi
posti lungo il margine, mentre in parte derivano da condizioni to-
pografiche. Il Gruppo C è considerato chiuso sul limite di valle. Le
condizioni di carico imposto per il Gruppo A (Fig. 10: quadri n.1,
2, 3 e 8) simulano a monte, nella zona di Fornovo, la ricarica subal-
vea del Fiume Taro, mentre a valle e lungo alcune parti dei limiti
orientale e occidentale esse impongono i flussi entranti o le perdite
verso il Gruppo Acquifero A padano o verso le Conoidi dei Torrenti
Parma e Baganza sviluppate nel Complesso A1. Le condizioni di
carico imposto per il Gruppo A discendono da rilievi e registrazioni
piezometriche effettuate su piezometri selettivi posti appositamen-
te lungo il contorno dell’area di studio.
4. I deflussi idrici basali provenienti dagli affluenti del fiume
Taro che entrano dal margine meridionale del bacino. Le
irrigation wells, 476 breeding wells and 163 wells pumping less
than 10 cubic meters per day) have been classified and grouped
on the basis of the hydrostratigraphic position of the screens and
the irrigation district in which they are placed. Each group defi-
nes a hydrostratigraphic volume to which has been applied the
pumping discharge curve resulting from the sum of the dischar-
ges of the wells included inside. A constant pumping rate has
been assumed for the breeding wells; for the irrigation wells,
on the contrary, variable rate pumping curves have been made
up following the records of precipitation and temperature in the
Regional gauges network. Nevertheless, as it is impossible to
measure all the well abstractions for irrigation purposes, in the
mathematic modelling they have been treated as a variable to
calibrate, constrained by a monthly maximum limit.
2. Infiltration and recharge from precipitation. The Geologic and
Pedologic Survey of Regione Emilia-Romagna calculated the daily
zenithal recharge using the mathematical model MACRO (l
ars
-
son
& J
arVis
, 1999). MACRO calculates coupled unsaturated-satu-
rated water flow in cropped soil basing on pedologic, climatic and
cultivation data. Although available on the whole study area, daily
recharge from precipitation hasn’t been taken into consideration on
the main part of middle and lower alluvial plain (Fig. 9). In fact,
in the first meters underneath the ground of those areas, there is a
local groundwater flow system strictly connected to the irrigation
channels network and hydraulically separated from the main aqui-
fer systems. This local hydrologic system has been intentionally
removed from the hydrogeologic model of the Basin.
3. Prescribed piezometric heads at the Fan Apex, along the sou-
thern boundary and locally on the other boundaries of the
model.
Time-variable piezometric head conditions have been
prescribed on some parts of Aquifer Groups C and A bounda-
ries to adapt the model to the real hydrogeological conditions
of the Basin. In particular, the prescribed piezometric heads on
Group C limits (Fig.10: images 15 and 19) simulate the feeding
conditions along the southern and south-western margin of the
model: they partly come from measurements recorded in se-
lected piezometers located along the Margin and partly come
from topographic conditions. The other limits of Group C have
been assumed to be closed. The prescribed piezometric heads
on Group A limits (Fig.10: images 1, 2, 3 and 8) allow to simu-
late the recharging water flow coming from upstream under the
Taro River bed at its Fan Apex and the groundwater exchange
flows with the downstream neighbouring aquifer systems. The-
se boundary conditions come from measurements recorded on
purpose in selected piezometers located along the border of the
study area.
4. Base flows of Taro River tributaries entering the southern
margin of the Basin. Time-variable flow conditions have been
background image
MODELLING GROUNDWATER-STREAM WATER INTERACTIONS IN THE TARO RIVER HYDROGEOLOGICAL BASIN
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condizioni al contorno di flusso imposto sono state utilizzate su
porzioni del margine meridionale del Complesso Acquifero A0
(Fig. 10, quadri n. 1 e 2) per simulare il deflusso basale entrante
attraverso il subalveo dei rii minori affluenti del Taro. Per otte-
nere delle curve di deflusso basale giornaliero attendibili è stato
allestito e calibrato appositamente un modello afflussi-deflussi
a parametri concentrati, basato sul codice di calcolo Mike11
- NAM creato dal Danish Hydraulic Institute: esso simula in
continuo i deflussi fluviali e basali dei bacini minori in risposta
agli eventi meteorici registrati presso le stazioni pluviometriche
distribuite nell’area di studio. Il contorno del Gruppo Acquifero
B è considerato ovunque a flusso imposto nullo. Il Gruppo B si
alimenta dai Gruppi C ed A attraverso porzioni limitate delle
superfici di base e di tetto.
5. Le condizioni al contorno di scambio idrico fiume-acquiferi.
Le condizioni al contorno da imporre in corrispondenza dei corsi
d’acqua principali (Fiume Po, Fiume Taro e Torrente Baganza:
Fig. 10, quadri n. 1 e 2) hanno richiesto un corposo approfondi-
mento di studio al fine di valutare opportunamente la dinamica
dei rapporti fiume-acquiferi. Si è deciso di eseguire una mo-
dellazione idraulica monodimensionale di tali corsi d’acqua che
implementasse le morfologie degli alvei ottenute da un rilievo
topografico di elevato dettaglio e di recente acquisizione (2004
- 2005) e le portate in essi fluenti a scala giornaliera, a meno
dei prelievi effettuati dai consorzi irrigui. Il modello matema-
tico del deflusso idrico nella rete fluviale è stato implementato
con il codice di calcolo MIKE11, un sistema di simulazione ad
elementi finiti 1D, sviluppato dal Danish Hydraulic Institute e
diffuso a scala mondiale.
put on the southern margin of Aquifer Complex A0 (Fig.10: ima-
ges 1 and 2) to prescribe the base flow entering the TRHB trough
the Taro River tributaries. The base flow daily curves prescribed
on that boundary are the output of a watershed lumped-parameter
numerical model, setup and calibrated on purpose. Based on the
NAM - MIKE11 hydrologic model created by the Danish Hydrau-
lic Institute, it simulates the continuous runoff and base flow of the
Taro River tributaries catchments in response to the rainfall and
temperature data recorded by the hydrologic monitoring network
already operating in the study area and acquiring data by remote
control every half an hour. No flow boundaries are prescribed on
the Aquifer Group B. This Group is fed by Groups C and A throu-
gh small parts of its bounding top and bottom surfaces.
5. Head dependent boundary conditions (stream - aquifer con-
nections). The specification of daily head dependent boundary
conditions to properly assess the leakage to or from the Po, Taro
and Baganza Rivers (Fig.10: images 1 and 2), required an extra
modelling work. A one-dimensional hydraulic model of the river
network, based on a recent (2004 - 2005) and detailed thalweg
topographic survey and on the half-hourly rivers discharge redu-
ced by agricultural unions withdrawals, has been setup. The river
network model has been implemented into the MIKE11 software
package, a worldwide 1D finite element river simulation system
developed by the Danish Hydraulic Institute.
Fig. 9 - Condizioni al contorno di ricarica zenitale. Ogni
area colorata è caratterizzata da una propria curva
di ricarica zenitale, calcolata sulla base dei dati pe-
dologici, colturali e meteo-climatici
- Areas of infiltration and recharge from precipi-
tation. Each coloured area is characterized by a
specific infiltration log computed on the base of
pedologic, climatic and cultivation data
background image
MODELLO NUMERICO DI FLUSSO DEL BACINO IDROGEOLOGICO DELLA CONOIDE ALLUVIONALE DEL FIUME TARO
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G. D
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io
COSTRUZIONE E CALIBRAZIONE DEL MODELLO
NUMERICO 3D DEL BACINO
Il modello matematico 3D dei flussi idrici sotterranei nel BICAT
è stato sviluppato con il codice di calcolo Feflow, un sistema di si-
mulazione agli elementi finiti 3D dei flussi idrici e del trasporto di
massa e/o del calore nel sottosuolo, sviluppato dalla WASY GmbH
di Berlino, ora incorporata dal Danish Hydraulic Institute. Il modello
ottenuto è formato da 421506 elementi finiti prismatici a 6 nodi, sud-
divisi in 18 strati. Esso è accoppiato, mediante condizioni al contorno
di Cauchy, al modello ad elementi finiti 1D dei sistemi fluviali Taro,
Po e Baganza citato in precedenza (Fig. 11).
Il modello matematico 3D dei flussi idrici sotterranei nel BI-
CAT è stato calibrato direttamente in stato transitorio. Il periodo
preso in considerazione per la simulazione inizia il 20/05/05 alle
ore 11:00 e termina il 31/10/06 alle ore 23:30. Al tal fine, sulla
rete di monitoraggio piezometrico di Fig. 7, tra i mesi di maggio
2005 e novembre 2006, sono state eseguite misure piezometriche
contemporanee e con cadenza minima mensile. E’ da notare che
46 piezometri della rete sono stati dotati di strumentazione per la
misurazione del livello idrico in automatico, con cadenza oraria o
semioraria. La rete di monitoraggio piezometrico completa la rete
di monitoraggio delle precipitazioni e dei deflussi fluviali già attiva
nell’area di studio, funzionante in telemisura e con cadenza semio-
SETUP AND CALIBRATION OF THE 3D MATHEMA-
THICAL MODEL
The groundwater flow 3D mathematic model of TRHB has been
implemented in the Feflow software package, a 3D finite element
subsurface flow and transport simulation system developed by WASY
GmbH in Berlin, now part of the Danish Hydraulic Institute. The re-
sulting model is formed by 421506 six-noded, triangular prism, finite
elements, subdivided into 18 layers. It is coupled via Cauchy type
boundary conditions to the previously cited 1D finite element model
of the Taro, Po and Baganza rivers (Fig. 11).
The 3D finite element model of TRHB has been directly cali-
brated under transient-state conditions. The simulation period be-
gins on May 20
th
2005 at 11:00 AM. and ends on October 31
st
2006
at 11:30 PM. Just for calibration purposes, the groundwater levels
in the monitoring network showed in Fig. 7 have been measured at
least at monthly interval. It‘s worth noting that 46 piezometers are
instrumented with dataloggers, recording measurements with time
steps of half an hour. This groundwater level monitoring network
completes the rainfall and stream water level monitoring networks
already operating in the study area and acquiring data by remote
control every half an hour.
The calibration target was to find such a distribution of the hydr-
ogeologic parameters and of the abstractions for irrigation purposes,
Fig. 10 - Condizioni al contorno:
carico imposto (a); flusso
imposto (b); scambio fiu-
me-acquiferi (c). I numeri
a lato delle immagini si ri-
feriscono alle 19 superfici
che delimitano i 18 livelli
idrostratigrafici indicati in
Fig. 2. Nessuna condizione
al contorno sulle superfici
11, 12, 13 and 14
- Boundary
conditions:
prescribed head (a); pre-
scribed flow (b); head de-
pendent (c). The numbers
beside each image refer to
the 19 surfaces bounding
the 18 hydrostratigraphic
layers showed in Fig. 2.
No boundary conditions on
surfaces 11, 12, 13 and 14
background image
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that both the absolute value and the scattering of the differences be-
tween measured and simulated heads in the monitoring network fell
below 3 meters. This value may be considered consistent with the
well heads elevation evaluation and the geometrical approximations
allowed to build the hydrostratigraphic model. Nevertheless, only
16.5% of the calibration network (17 piezometers) actually showed
differences above 2 meters and most of them are located near the
Southern Basin margin, where the groundwater table is deep and
subject to huge annual level variations (4÷10 m), or occur near the
most important industrial well fields of the study area. The calibra-
tion results are showed in Fig. 12.
WATER BALANCE EVALUATION AND VERIFICATION
The following table shows the numerical water budget computed
by the model for the hydrologic year from October 1st 2005 to Sep-
tember 30
th
2006 inclusive.
It is also possible to compute the water balance of the Taro River
in the same hydrologic year, since this coupled model simulates the
stream water flows in addition to the groundwater flows. The follow-
ing table shows the numerical details.
The shown tables mean the TRHB groundwater resources in-
raria dell’acquisizione dati.
Nella fase di calibrazione ci si è posti l’obbiettivo di trovare
una distribuzione dei parametri idrogeologici e delle pressioni an-
tropiche non misurabili direttamente (curve di portata dei pozzi irri-
gui), tale da rendere inferiori a 3 m, in valore assoluto, sia gli scarti
massimi, sia la dispersione degli scarti tra le curve piezometriche
misurate e le curve piezometriche calcolate dal modello sulla rete
di monitoraggio. Il valore di 3 m è stato considerato congruo sulla
base della precisione con cui sono state stimate le quote delle teste
pozzo della rete di monitoraggio e sulla base delle approssimazioni
geometriche di costruzione del modello. In realtà però sono stati su-
perati i 2 m di scarto solo sul 16.5% della rete di calibrazione, vale a
dire 17 piezometri, la maggior parte dei quali è posta in aree di alta
pianura ad elevata soggiacenza e notevole variazione piezometrica
annua (4÷10 m) ovvero si trova in prossimità di campi pozzi indu-
striali. I risultati della calibrazione sono illustrati in Fig. 12.
VALUTAZIONE E VERIFICA DEL BILANCIO IDRICO
Nella tabella che segue si illustra dal punto di vista numerico il
bilancio idrico elaborato dal modello nell’anno idrologico compreso
tra il 01/10/2005 e il 30/09/2006.
Dato che il modello matematico del BICAT comprende anche la
simulazione del flusso idrico superficiale, oltre ovviamente a quello
sotterraneo, è possibile redigere il bilancio per il sistema fluviale del
F. Taro, nel medesimo anno idrologico. La tabella che segue ne mo-
stra i dettagli numerici.
Fig. 11 - l modello matematico 1D del deflusso idrico nella rete fluviale ac-
coppiato al modello matematico 3D dei flussi idrici sotterranei
- The 1D river network model coupled with the 3D groundwater
model
Fig. 12 - Diagramma generale di calibrazione del modello matematico del BI-
CAT costruito utilizzando le misure di 100 piezometri della rete di
monitoraggio. Le linee rosse racchiudono il campo di errore tollerabile
- Plot of measured versus simulated heads in the 100 piezometers uti-
lized to calibrate TRHB mathematic model. Red lines bound the cali-
bration target
background image
MODELLO NUMERICO DI FLUSSO DEL BACINO IDROGEOLOGICO DELLA CONOIDE ALLUVIONALE DEL FIUME TARO
(REGIONE EMILIA-ROMAGNA, ITALIA SETTENTRIONALE): SIMULAZIONE DEGLI SCAMBI IDRICI TRA FIUME E ACQUIFERI
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D
io
Le tabelle mostrano che l’anno idrologico 2005/2006 è stato per il
BICAT un anno di lieve recupero delle riserve idriche sotterranee. Se il
modello è affidabile, quindi, si può affermare che in un lungo periodo
in cui le piogge registrate tra ottobre 2005 e aprile 2006 (periodo di
ricarica degli acquiferi) e quelle registrate tra Maggio e Settembre 2006
(periodo irriguo) si avvicinano ai corrispondenti valori medi stagionali,
allora il BICAT è in grado di sostenere l’attuale pressione antropica.
Tuttavia vale la pena di ricordare che i prelievi totali per uso irriguo
che compaiono nella prima tabella, sono frutto dell’operazione di cali-
brazione del modello matematico. Essi infatti, nella fase di assegnazio-
ne delle condizioni al contorno, erano stati trattati come una variabile
vincolata a non superare un valore massimo, stimato sulla base dei soli
pozzi irrigui in Concessione entro il maggio del 2006. Nella stima non
sono stati considerati né i ~ 1000 pozzi irrigui noti di cui non è mai stata
richiesta la Concessione d’uso, né i 92 pozzi irrigui e i 76 pozzi indu-
striali e zootecnici già esistenti, ma di cui è stata richiesta la Concessione
d’uso dopo la metà del 2006, né tantomeno le migliaia di pozzi dome-
stici che, specie in estate, pompano acqua per innaffiare orti e giardini.
Per questo motivo è interessante verificare il modello, confrontando il
valore calibrato per l’anno idrologico 2005/2006 con le stime del pre-
lievo irriguo utilizzate per redigere il Piano Provinciale di Tutela delle
Acque della Provincia di Parma approvato il 22 Dicembre 2008 (PPTA).
La stima del prelievo irriguo da pozzi del PPTA si fonda sulla sti-
ma delle superfici comunali potenzialmente irrigate, censite nel 2004,
e sulle dotazioni idriche teoriche, stagionali, alla coltura. Il PPTA pro-
pone una stima per l’anno medio e una stima per l’anno mediamente
secco ove per anno medio si intende quello nel quale le precipita-
zioni estive (da Maggio ad Agosto) nell’alta pianura ammontano a
224 mm, mentre nell’anno mediamente secco tali precipitazioni sono
ridotte di circa un terzo (~150 mm). Relativamente all’area di studio
il PPTA considera un prelievo irriguo di acque sotterranee compreso
tra circa 36 e 44 milioni di metri cubi nell’anno mediamente secco e
tra circa 17 e 23 milioni di metri cubi nell’anno medio. Poiché il 2006
è stato un anno irriguo mediamente secco per il BICAT (152 mm di
pioggia da Maggio ad Agosto) si deve confrontare il prelievo irriguo
da acque sotterranee ottenuto mediante calibrazione del modello ma-
tematico, pari a circa 43 milioni di metri cubi, con il valore medio
dell’intervallo previsto dal PPTA (40 Mm
3
). In questo caso i 3 milioni
in eccesso valutati dal modello si possono ripartire tra l’errore del
modello stesso, la quota di prelievi dalle falde ignota all’Amministra-
zione Pubblica e quella consapevolmente trascurata (pozzi domestici)
nella costruzione delle condizioni al contorno.
VALUTAZIONE DEGLI SCAMBI IDRICI FIUME-ACQUIFERI
L’accoppiamento del modello 3D di sottosuolo con quello 1D
di superficie ha permesso di mappare in modo affidabile le zone di
scambio fiume-falda e di valutare la ricarica degli acquiferi nelle più
svariate condizioni di deflusso fluviale.
La Figura 13 illustra i diagrammi di portata dei Fiumi Taro e Po
in corrispondenza delle sezioni d’ingresso nell’area di studio, nel pe-
creased a little in the hydrologic year 2005/2006. Therefore, if the
model is reliable, these findings state the TRHB can sustain the ac-
tual water demand for a long term in which precipitation recorded
from October 2005 to April 2006 (groundwater recharge period)
and from May to September 2006 (irrigation period) approach the
respective seasonal mean value. Nevertheless it’s worth remember-
ing the total water pumping for irrigation purposes in the first table
comes from the calibration of the model. As a matter of fact, dur-
ing the first setup of boundary conditions the amount of pumping
for irrigation purposes had been treated as a variable constrained by
a monthly maximum limit, computed on the base of the irrigation
wells granted at the date of May 31
st
2006. The estimate didn’t con-
sidered the about one thousand, well known but still lacking of grant,
irrigation wells, the already existing 168 wells whose application
for grant was received after the first half of 2006 and moreover the
thousands of domestic wells used in summer to water gardens. For
the reason given above it’s interesting to verify the model comparing
the calibrated amount computed in the hydrologic year 2005/2006
with the estimate of pumping for irrigation purposes utilized to draw
up the Water Protection Plan (WPP) passed by the Parma Province
Government on December 22
nd
2008.
The estimated amount of pumping for irrigation purposes in-
cluded in the WPP is based on the census of the provincial poten-
tially irrigated lands and on the theoretic, seasonal water demand
of cultivations. The WPP proposes two computation: the first for
the annual rainfall totals mean value, the second for the mean value
of typically dry annual rainfall totals. In the first case the summer
precipitation (from May to August) in the south-western Po River
plain amounts to 224 mm and the WPP estimates an annual amount
of pumping for irrigation purposes constrained between 17 and
23 Mm
3
, while in the second case the summer precipitation is re-
duced to about 150 mm and the WPP estimate is between 36 and
44 Mm
3
. The summer precipitation recorded in the TRHB during
2006 amounts to 152 mm; so the groundwater pumped for irrigation
purposes computed by the model, shown in the first table above to
be about 43 Mm
3
, has to be compared whit the mean value of the
gap between 36 and 44 Mm
3
, say about 40 Mm
3
. In this case the
computed excess may be apportioned between the overall error of
the model, the portion of groundwater abstractions unknown to the
Regional Government and finally the domestic wells abstractions,
consciously omitted defining the boundary conditions.
ASSESSMENT OF STREAM-AQUIFER CONNECTIVITY
Coupling of the 3D subsurface model with the 1D surface
model leaded to a reliable assessment of stream-aquifer connec-
tivity and mapping of exchange areas under the different stages
of the river flow.
Figure 13 shows the Po River and Taro River discharge logs in the
upstream sections of the study area, from May 20th 2005 to Novem-
background image
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ber 1st 2006. Capital letters in the graph indicate the most representa-
tive points of the river flow stages: these have been selected to per-
form quantitative evaluations of daily mean stream-aquifer exchange
rates with the help of the mathematic model.
During flood peaks (A in Fig. 13; Fig.14a) the Taro River feeds
the Aquifer Groups C, B and A underneath his upper alluvial fan, as
mapped in Fig. 14, at a daily mean rate ranging from 0.32 to 0.35 m
3
/
(s•km), the highest value corresponding to late summer flood peaks.
During late summer flood peaks the Po River feeds the southern con-
nected Aquifer Complex A0 along a front of almost 26 km at a daily
mean rate varying from 0.16 to 0.26 m
3
/(s•km). The rate amount di-
rectly depends on the peak water level.
During flow depletion stage of the flood (B in Fig. 13; Fig. 14b), in
the upper alluvial fan of the Taro River only a minimum amount of the
riodo compreso tra il 20 maggio 2005 ed il 1 novembre 2006. Le
lettere apposte sui diagrammi indicano i punti, selezionati in base alla
rappresentatività di determinate condizioni di deflusso fluviale, in
corrispondenza dei quali sono state eseguite le valutazioni numeriche
sul modello degli scambi idrici tra i fiumi e gli acquiferi.
Durante i picchi di piena (A in Fig. 13; Fig. 14a) il Fiume Taro ali-
menta i Gruppi Acquiferi A, B e C sottostanti la sua conoide alluvionale
prossimale, nelle rispettive aree mappate in Fig.14, ad un tasso medio
giornaliero compreso tra 0,32 e 0,35 m
3
/(s•km). Il valore più alto si re-
gistra durante i picchi di piena di fine estate; in corrispondenza di essi il
Fiume Po alimenta soltanto il Complesso Acquifero A0 posto a sud del
suo corso, lungo un fronte di circa 26 km, ad un tasso medio giornaliero
compreso tra 0,16 e 0,26 m
3
/(s•km). In quest’ultimo caso, il tasso di
infiltrazione risulta proporzionale all’altezza del picco.
Durante la fase calante delle piene (B in Fig. 13; Fig. 14b), il Comples-
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MODELLO NUMERICO DI FLUSSO DEL BACINO IDROGEOLOGICO DELLA CONOIDE ALLUVIONALE DEL FIUME TARO
(REGIONE EMILIA-ROMAGNA, ITALIA SETTENTRIONALE): SIMULAZIONE DEGLI SCAMBI IDRICI TRA FIUME E ACQUIFERI
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water that had previously entered the aquifer is returned to the stream
at a daily mean rate which never exceeds 0.005 m
3
/(s•km). On the con-
trary, most of the water that had previously entered the southern aquifers
along the Po River is drained during the flow depletion stage of the flood
at almost the same daily mean rate recorded during the flood peak.
Even during summer and early autumn low flows the Taro River
feeds the Aquifer Groups C, B and A (C in Fig. 13; Fig. 15a) at a daily
mean rate ranging from 0.02 to 0.08 m
3
/(s•km). The highest values can
be recorded in June and July, when the irrigation wells pump ground-
water at their highest rate, so forcing the infiltration of the stream wa-
ter. On the contrary, during summer and early autumn low flows the
Po River drains the southern Aquifer Complex A0 at a daily mean rate
ranging from 0.01 to 0.03 m
3
/(s•km). Even during winter low flows (D
in Fig. 13; Fig. 15b) the Po River drains the southern connected aqui-
fers at a daily mean rate of about 0.02 m
3
/(s•km), while equilibrium
between feeding and draining prevails in the upper alluvial fan of the
Taro River. The model response to summer low flows has been veri-
fied comparing the computed values with the results of some differen-
tial stream flow measurements carried out in the Po and Taro Rivers. In
particular, during Summer 2002 some stream flow measurements were
performed near the edges of the Taro River upper alluvial fan to evalu-
ate the infiltration losses toward the aquifers. The mean value obtained
is 0.08 m
3
/(s•km), that matches very well the results of the numerical
model of the Taro River Hydrogeological Basin.
so Acquifero A0 a sud del Po è drenato dal fiume e restituisce gran parte
dell’acqua ricevuta durante il picco, ad un tasso medio giornaliero compa-
rabile con quello d’infiltrazione; ciò non avviene nella conoide prossimale
del Fiume Taro, dove la portata media giornaliera di drenaggio, per unità
di lunghezza dell’asta fluviale, non supera mai 0,005 m
3
/(s•km).
Il Fiume Taro alimenta i Gruppi Acquiferi A, B e C persino
durante le magre estive ed autunnali (C in Fig. 13; Fig. 15a), ad
un tasso medio giornaliero compreso tra 0,02 e 0,08 m
3
/(s•km). I
valori più elevati si registrano in giugno ed in luglio, in concomi-
tanza con il massimo sfruttamento dei pozzi irrigui che forza l’in-
filtrazione dell’acqua fluviale nei Complessi Acquiferi. Durante le
magre estive, invece, il Fiume Po continua a drenare il Complesso
Acquifero A0 posto a sud dell’asta fluviale, ad un tasso medio gior-
naliero compreso tra 0,01 e 0,03 m
3
/(s•km). Circa 0,02 m
3
/(s•km)
continuano ad essere drenati anche durante le magre invernali (D
in Fig. 13; Fig. 15b), mentre nella conoide prossimale del Fiume
Taro, nello stesso periodo, prevale una situazione di equilibrio negli
scambi fiume-falda. Il comportamento del modello nei periodi di
magra estiva è stato verificato con misure di portata differenziali
sia lungo il Po che lungo il Taro. In particolare un tasso medio pari
a 0,08 m
3
/(s•km) è stato ottenuto durante una campagna di misure
di portata eseguita nei mesi di giugno e luglio del 2002 proprio allo
scopo di valutare le perdite estive dal Fiume Taro verso gli acquiferi
della sua conoide alluvionale prossimale.
Fig. 13 - Diagrammi di portata dei Fiumi Taro e Po in corrispondenza delle sezioni d’ingresso nell’area di studio, nel periodo compreso tra il 20 maggio 2005 ed il
1 novembre 2006. LEGENDA: 1: Idrogramma del Fiume Taro a Fornovo; 2: Idrogramma del Fiume Po a Cremona; A: picco di piena. B: fase calante della
piena. C: magre estive ed autunnali. D: magra invernale
- Po River and Taro River discharge logs in the upstream sections of the study area, from 20 may 2005 to 1 november 2006. LEGEND: 1: Taro River water level at
Fornovo; 2: Po River water level at Cremona; A: peak flood stage. B: flow depletion stage of the flood. C: summer and early autumn low flows. D: winter low flows
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MODELLING GROUNDWATER-STREAM WATER INTERACTIONS IN THE TARO RIVER HYDROGEOLOGICAL BASIN
(WESTERN EMILIA-ROMAGNA REGION, NORTHERN ITALY)
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 1 (2012)
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CONCLUSIONS
The long-term exploitation sustainability of the water resources
stored in a Hydrogeological Basin depends on a well-balanced and
integrated management of its surface waters and groundwaters. The
assessment of aquifers recharging capabilities and, in general terms,
of stream-aquifer connectivity represents a very important matter,
both in basin scale hydrologic balance evaluations that in local scale
water resources engineering projects. As a matter of fact, at a local
scale many industrial and drinking water wells have been projected
and drilled near the riverbanks to force the stream waters to enter the
aquifer systems (s
tuyfzanD
et alii, 2004).
b
roDie
et alii (2007) give a review of worldwide used methods to
assess stream-aquifer connectivity. They enumerate both direct and
indirect methods; it however stands to reason that studies at a basin
scale can’t be solely based upon field investigations such as fluvial
discharge and direct infiltration measurements, because they should
need huge amounts of time and money. In such cases, as in the study
CONCLUSIONI
La sostenibilità dello sfruttamento delle risorse idriche di un Ba-
cino Idrogeologico dipende da una gestione equilibrata ed integrata
delle falde e delle acque superficiali. La valutazione della ricarica
degli acquiferi e, più in generale, degli scambi idrici fiume-falda rap-
presenta, quindi, un tema di fondamentale importanza sia nell’elabo-
razione dei bilanci idrologici sviluppati a scala di bacino sia nell’ese-
cuzione di studi di ingegneria delle risorse idriche sviluppati a scala
locale. Di questi ultimi, infatti, sono numerosi gli esempi relativi a
campi di pozzi a uso industriale o idropotabile che sono stati proget-
tati e perforati in vicinanza di corsi d’acqua al fine di indurre l’infil-
trazione nell’acquifero delle acque fluviali (s
tuyfzanD
et alii, 2004).
Una rassegna critica dei metodi di valutazione degli scambi idrici
fiume-falda utilizzati dai ricercatori in tutto il mondo è fornita da b
ro
-
Die
et alii (2007). Si annoverano sia metodi diretti che indiretti; è evi-
dente, tuttavia, che negli studi a scala di bacino un approccio che tenda
ad utilizzare solo misure dirette, vale a dire misure di portata fluviale
Fig. 14 - Mappe schematiche delle zone di scambio fiume-falda. La dimensione delle frecce fornisce una stima qualitativa del tasso di drenaggio o di ricarica degli
acquiferi posti a sud del Fiume Po e nella Conoide Alluvionale del Fiume Taro, durante il picco di una piena (a) e durante la fase calante di una piena (b).
Legenda: A: zona di ricarica del Gruppo Acquifero A; A+B: zona di ricarica dei Gruppi Acquiferi A e B; A+C: zona di ricarica dei Gruppi Acquiferi A e C
- Map of stream-aquifer exchange areas and qualitative evaluation of the aquifer feeding/draining rate along the Po and Taro Rivers during a peak
flood stage (a) and during the flow depletion stage of a flood (b). Legend: A: Aquifer Group A feeding area; A+B: Aquifer Groups A and B feeding
area; A+C: Aquifer Groups A and C feeding area
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MODELLO NUMERICO DI FLUSSO DEL BACINO IDROGEOLOGICO DELLA CONOIDE ALLUVIONALE DEL FIUME TARO
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io
of TRHB, it’s better to privilege the indirect methods, the category
which mathematic models belong to, resorting to field investigations
for the calibration of the model only.
In the case study of Taro River Hydrogeological Basin the cou-
pling of a 3D subsurface mathematic model with a 1D finite ele-
ment river simulation model, both extremely detailed, have been
experimented. Such a coupling, if on the one hand makes the setup
and the calibration of the model harder and more difficult, on the
other hand bears a reliable assessment of stream-aquifer connectiv-
ity and mapping of exchange areas under the most various stages of
the river flow.
AKNOWLEDGEMENTS
The author thanks Giulia Barbacini, Mila Ferrari, Ilaria Fumi, Ser-
gio Lasagna, Fabio Molinari, Stefano Segadelli and Federica Valenti,
non-replaceable researchers and travelling companions during this hard
e misure di infiltrazione, non è praticabile, in quanto esso richiedereb-
be tempi ed investimenti finanziari enormi. In questi casi, come nello
studio del BICAT, è opportuno, allora, privilegiare i metodi di stima
indiretti, ai quali appartiene l’utilizzo di modelli matematici, ricorrendo
alle misure di campagna solo per la taratura o la verifica del modello.
Nel caso del Bacino Idrogeologico della Conoide Alluvionale del
fiume Taro è stato sperimentato l’accoppiamento di un modello idrogeo-
logico 3D con un modello idraulico fluviale 1D, entrambi di elevato det-
taglio. Tale accoppiamento, se da un lato rende più laboriosi e difficoltosi
l’allestimento e la taratura del modello, dall’altro consente di mappare in
modo affidabile le zone di scambio fiume-falda e di valutare la ricarica
degli acquiferi nelle più svariate condizioni di deflusso fluviale.
RINGRAZIAMENTI
L’autore ringrazia Giulia Barbacini, Mila Ferrari, Ilaria Fumi, Sergio
Lasagna, Fabio Molinari, Stefano Segadelli e Federica Valenti, compagni
e ricercatori insostituibili in questo lungo e faticoso studio. Un ringrazia-
Fig. 15 - Mappe schematiche delle zone di scambio fiume-falda. La dimensione delle frecce fornisce una stima qualitativa del tasso di drenaggio o di ricarica degli
acquiferi posti a sud del Fiume Po e nella Conoide Alluvionale del Fiume Taro, durante le magre estive ed autunnali (a) e durante la magra invernale (b).
Legenda: A: zona di ricarica del Gruppo Acquifero A; A+B: zona di ricarica dei Gruppi Acquiferi A e B; A+C: zona di ricarica dei Gruppi Acquiferi A e C
- Map of stream-aquifer exchange areas and qualitative evaluation of the aquifer feeding/draining rate along the Po and Taro Rivers during summer and
early autumn low flows (a) and during winter low flows (b). ). Legend: A: Aquifer Group A feeding area; A+B: Aquifer Groups A and B feeding area; A+C:
Aquifer Groups A and C feeding area
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and long study. He thanks the General Direction for the Environment of
Emilia-Romagna Regional Government, and particularly Mr. Raffaele
Pignone, Director of the Geological Survey, for supporting this research,
as well as Mrs. Prof. Tullia Bonomi for financing this publication. The
author finally thanks Marina Guermandi, Letizia Fumagalli and Nicola
Laruccia for the elaboration of the soil infiltration data used by the math-
ematic model and Marisa Fornari for the careful text revision.
mento sentito va alla dirigenza della Direzione Generale Ambiente della
Regione Emilia-Romagna, in particolare al Dott. Raffaele Pignone del
Servizio Geologico, per il sostegno profuso alla presente ricerca, non-
ché alla Prof.ssa Tullia Bonomi per aver finanziato questa pubblicazione.
L’autore ringrazia, inoltre, Marina Guermandi, Letizia Fumagalli e Nico-
la Laruccia per l’elaborazione dei dati di percolazione del suolo utilizzati
dal modello e Michela Diena per la revisione del testo.
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Received April 2010 - Accepted August 2010
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