POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
A GIS-BASED APPROACH AND STATISTICAL ANALYSIS TO IDENTIFY GROUNDWATER
HYDROGEOCHEMICAL PROCESSES OF THE MT. VULTURE
VOLCANIC AQUIFER (SOUTHERN ITALY)SERENA PARISI, FILOMENA CANORA, GIUSEPPE SPILOTRO
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELLA BASILICATADipartimento di Strutture, Geotecnica e Geologia Applicata
Serena PARISI
OBIETTIVIOBIETTIVI
2
INDIVIDUARE E DEFINIRE I CARATTERI IDROGEOCHIMICI DELLE ACQUE DEL SISTEMA IDROGEOLOGICO DEL MONTE VULTURE ATTRAVERSO LO STUDIO DELLA DISTRIBUZIONE
SPAZIALE DEI DATI COMBINATA CON L’ANALISI STATISTICA MULTIVARIATA
Comprendere l’origine e l’evoluzione idrogeochimica delle acque di circuitazione del bacino idrominerario.
Risalire alle caratteristiche idrogeologiche dell’acquifero, caratterizzare il bacino di alimentazione, individuare i mix idrogeochimici in relazione alle eventuali diverse circuitazioni confluenti.
Confermare lo schema di circolazione idrica sotterranea fondamentale per la conservazione e la gestione sostenibile della risorsa idrica in esame.
Definire i fattori che condizionano la circuitazione idrica sotterranea.
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
D’Orazio et al., 2007
INQUADRAMENTO GEOLOGICO REGIONALE
INQUADRAMENTO GEOLOGICO REGIONALE
Da Bonardi et al., (2009)
3
(Da D’Orazio et al., 2007)
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
SCELTA DEL CONTESTO TERRITORIALESITO APPLICATIVO: ACQUIFERO DEL MONTE VULTURE ACQUIFERO DEL MONTE VULTURE
130 km2
► Ampia circolazione idrica sotterranea che si manifesta dalle quote più elevate.
► La necessità di tutelare la qualità delle acque, ha suggerito l’esigenza di studi idrogeologici ed idrogeochimici innovativi per la protezione delle risorse idriche dell’area del Monte Vulture.
► Grazie alla sua origine vulcanica l'area del Monte Vulture è ricca di pregiate acque minerali, naturalmente effervescenti oggetto di coltivazione idromineraria.
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
• RACCOLTA DATI: Topografia (Carte topografiche - scala
1:10.000)Geologia (Carte geologiche - scala
1:25.000)Dati idrologici , dati idrogeochimici
disponibili
ATTIVITÀ SVOLTE ATTIVITÀ SVOLTE
DELIMITAZIONE DEL BACINO IDROGEOLOGICO E
RICOSTRUZIONE DELLA SUPERFICIE PIEZOMETRICA A
PARTIRE DALLA DOCUMENTAZIONE PREGRESSA.
VERIFICA CENSIMENTO DEI POZZI E DELLE SORGENTI
RICADENTI NEL BACINO E DETERMINAZIONE DI UNA RETE
DI MONITORAGGIO.
ESECUZIONE DEL MONITORAGGIO QUALI-QUANTITATIVO
DELLE ACQUE SOTTERRANEE PER IL PERIODO DI UN ANNO
IDROLOGICO.
ANALISI ED ELABORAZIONE DEI DATI RACCOLTI MEDIANTE
METODOLOGIE STATISTICHE E GEOSTATISTICHE PER LA
REALIZZAZIONE DELLA CARTOGRAFIA TEMATICA MEDIANTE
L’USO DI STRUMENTI GIS.
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
METODOLOGIE E PROCEDURE ANALITICHE1. GEOREFERENZIAZIONE DELLE MAPPE TOPOGRAFICHE (SCALA
1:10.000) E GEOLOGICHE (SCALA 1:25.000), CON L’UTILIZZO DEL SISTEMA DI COORDINATE (UTM).
2. DIGITALIZZAZIONE DELLE CARTE TOPOGRAFICHE E GEOLOGICHE PER LA CREAZIONE DI MAPPE DI PUNTI E POLIGONI RELATIVI ALLE DIVERSE ENTITÀ GEOGRAFICHE.
•L’ANALISI TOPOGRAFICA HA PERMESSO L’ELABORAZIONE DI L’ANALISI TOPOGRAFICA HA PERMESSO L’ELABORAZIONE DI UN UN DIGITAL TERRAIN MODEL (DTM – PASSO 10 METRI)DIGITAL TERRAIN MODEL (DTM – PASSO 10 METRI). .
•L’ANALISI SPAZIALE DEI DATI IDROGEOCHIMICI E LE L’ANALISI SPAZIALE DEI DATI IDROGEOCHIMICI E LE RELATIVE MAPPE (GRID CELLS 50 m SIZE), SONO STATE RELATIVE MAPPE (GRID CELLS 50 m SIZE), SONO STATE GENERATE CON LO SPATIAL ANALYST (EXTENSION DI ARCGIS GENERATE CON LO SPATIAL ANALYST (EXTENSION DI ARCGIS 9.2).9.2).
Self-Regulating
Natural World
Managed
Constructed World
ABSTRACTING THE
REAL WORLD
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
GEODATABASE (221 emergenze idriche)
109 Sorgenti (300 – 1000 m s.l.m.)112 Pozzi (33 – 200 m di
profondità)
DENOMINAZIONE DELLE SORGENTI E DEI POZZI PER
L'IDENTIFICAZIONE
NUMERO DELLE SORGENTI E DEI POZZI, LA POSIZIONE IN TERMINI DI COORDINATE, ALTITUDINE (m
s.l.m.) E LOCALITÀ
DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate emergenze idriche: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
POZZI E SORGENTI SONO STATI
DIGITALIZZATI E GEOREFERITI COME
PUNTI AI QUALI È STATO ASSOCIATO
UNA TABELLA ATTRIBUTI
ARCHIVIAZIONE DATI ACQUISITI
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
I DATI RACCOLTI VENGONO ARCHIVIATI NEL GEODATABASE
I DATI, GEOREFERITI, SONO STATI ELABORATI MEDIANTE L’USO DI STRUMENTI GIS PER LE RAPPRESENTAZIONI CARTOGRAFICHE
codice 005data camp. 01/06/08pHtemperatura
….…...…..
codice 010nomecoord x 555149coord y 4524642mslink 121mapid 37
Gaudio_11
5.615.6
….
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
PhD Student: Serena PARISI
METODOLOGIE E PROCEDURE ANALITICHE
−17 Sorgenti (555-1100 m s.l.m)
−31 Pozzi (352-960 m s.l.m.); profondità 22-220 m
PARAMETRI CHIMICI ED ISOTOPICI
• Elementi maggiori e minori
• Elementi in traccia• δ18O, δD
ANALISI GEOCHIMICHEPARAMETRI FISICI
• pH, Eh•Conducibilità elettrica•Temperatura •Valori di portata•Misura livelli statici dei pozzi
48 SITI DI CAMPIONAMENTO
DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
9INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
PhD Student: Serena PARISI
TEMATISMO 1: CARTA GEOLOGICA DEL MONTE VULTURE
TEMATISMO 1: CARTA GEOLOGICA DEL MONTE VULTURE
10
Da Parisi et al., 2010
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
PhD Student: Serena PARISI
TEMATISMO 2: CARTA IDROGEOLOGICA DEL MONTE VULTURE
Spilotro et al., 2005; 2006; modificata
11INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
PhD Student: Serena PARISI
TEMATISMO 3: SUPERFICIE PIEZOMETRICATEMATISMO 3: SUPERFICIE PIEZOMETRICA
DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate emergenze idriche: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
12INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI (Temperatura )
ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI (Temperatura )
Temperatura: (8÷22°C) Acque fredde o debolmente termali (Nathenson et al., 2003).
Si osservano lievi variazioni stagionali
Giugno 2007 Febbraio 2008 Giugno 2008
Geostatistic method of the Ordinary Kryging
DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM
ED 50, fuso 33
13INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI : pH ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI : pH DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
Giugno 2007 Febbraio 2008 Giugno 2008
pH: (5.4 ÷7.5) Acque da debolmente acide a neutre.
14
Geostatistic method of the Ordinary Kryging
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI : C.E. ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI FISICI : C.E. DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
Si osservano lievi variazioni stagionali
Giugno 2007 Febbraio 2008 Giugno 2008
Conducibilità elettrica: (190 S cm-1 ÷19000 S cm-1)
15
Geostatistic method of the Ordinary Kryging
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
DISTRIBUZIONE SPAZIALE CARATTERI COMPOSITIVI DELLE ACQUE
DISTRIBUZIONE SPAZIALE CARATTERI COMPOSITIVI DELLE ACQUE
•2° GRUPPOBICARBONATO-SOLFATO-ALCALINE: SO4>Na>Ca>K>Mg→TDS (~18.500 mgL-1)
•1° GRUPPOBICARBONATO-ALCALINO-TERROSE: Ca>Na>Mg>K→TDS (200-4.000 mgL-1)
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI CHIMICI
ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI CHIMICI DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
17INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI CHIMICI
ANALISI GEOSTATISTICA DEI PARAMETRI CHIMICI
Serena PARISI
MAPPE ELEMENTI IN TRACCIAMAPPE ELEMENTI IN TRACCIA
548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000
1
2
6
7
89
1011 12
13
14
15
171819
20
21
22
2425
26 28
29
31
32
33
3435
36
3839
40
42
43
44
47
48
4526000
4527000
4528000
4529000
4530000
4531000
4532000
4533000
4534000
4535000
4536000
4537000
100
200
400
600
800
1000
1400
1800
2200
2600
3000
3400
3800
4200
4600
5000
0
46
1623
27
45
37
3 45
0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m
N
EW
S
Sr (ppb)
548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000
1
2
6
7
89
1011 12
13
14
15
171819
20
21
22
2425
26 28
29
31
32
33
3435
36
3839
40
42
43
44
47
48
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
4526000
4527000
4528000
4529000
4530000
4531000
4532000
4533000
4534000
4535000
4536000
4537000
37
3 45
46
1623
27
45
0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m
N
EW
S
Zn (ppb)
548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000
1
2
6
7
89
1011 12
13
14
15
171819
20
21
22
2425
2628
29
31
32
33
3435
36
37
3839
40
42
43
44
47
48
051015202530354045505560657075808590951001051101153
45
162327
30
45
As (ppb)
4526000
4527000
4528000
4529000
4530000
4531000
4532000
4533000
4534000
4535000
4536000
4537000
0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m
N
EW
S
548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000
1
2
6
7
89
1011 12
13
14
15
171819
20
21
22
2425
26 28
29
31
32
33
3435
36
37
3839
40
42
43
44 46
47
48
B (ppb)
1000
3000
5000
7000
9000
11000
13000
15000
17000
19000
21000
23000
25000
27000
29000
5000
3
45
162327
30
45
4526000
4527000
4528000
4529000
4530000
4531000
4532000
4533000
4534000
4535000
4536000
4537000
0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m
N
EW
S
0 1000 2000 3000 4000 5000
N
EW
S
548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000
1
2
3
6
7
89
10
1112
13
14
15
171819
20
21
22
2425
2628
29
31
32
33
3435
36
37
3839
40
42
43
44 46
47
48
50
100
250
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000373
45
162327
30
45
Fetot(ppb)
4526000
4527000
4528000
4529000
4530000
4531000
4532000
4533000
4534000
4535000
4536000
4537000
0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m
N
EW
S
548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000
1
2
6
7
89
1011
12
13
14
15
1718 19
20
21
22
24
25
26 28
29
31
32
33
3435
36
37
3839
40
42
43
44
47
48
0
15
25
50
75
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
3 45
46
162327
45
4526000
4527000
4528000
4529000
4530000
4531000
4532000
4533000
4534000
4535000
4536000
4537000Mntot(ppb)
0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m
N
EW
S
548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000
1
2
6
7
89
1011 12
13
14
15
1718 19
20
21
22
2425
26 28
29
31
32
33
3435
36
37
3839
40
42
43
44
47
48
123456789101112131415161718192021222324
0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m
N
EW
S
4526000
4527000
4528000
4529000
4530000
4531000
4532000
4533000
4534000
4535000
4536000
45370003 45
46
162327
45
Ni (ppb) Pb(ppb)
0 1000 2000 3000 4000 5000
N
EW
S
548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000
1
2
6
7
89
1011 12
13
14
15
171819
20
21
22
24
25
2628
29
31
32
33
3435
36
37
3839
40
42
43
44
47
48
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
7.5
8.5
9.5
10.5
11.5
12.5
4526000
4527000
4528000
4529000
4530000
4531000
4532000
4533000
4534000
4535000
4536000
4537000 3 45
46
162327
45
0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m
N
EW
S
548000 549000 550000 551000 552000 553000 554000 555000 556000 557000
1
2
6
7
89
1011 12
13
14
15
171819
20
21
22
2425
26 28
29
31
32
33
3435
36
37
3839
40
42
43
44
47
48
50
100
150
200
400
600
1000
1400
1800
2200
2600
3000
3400
4526000
4527000
4528000
4529000
4530000
4531000
4532000
4533000
4534000
4535000
4536000
45370003 45
46
1623
27
45
Rb(ppb)
0 m 1000 2000 3000 4000 5000 m
N
EW
S
As BFeto
t
Mnto
tNi Pb
Rb Sr Zn
Geostatistic method of the Ordinary Kryging
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
Serena PARISI
DISTRIBUZIONE DEL DISTRIBUZIONE DEL 1818OO
DTM (10 metri): sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33Coordinate siti di campionamento: sistema di riferimento UTM ED 50, fuso 33
Geostatistic method of the Ordinary Kryging
SETTORE W-NWPrincipale area di
ricarica
18O
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
2121Serena PARISI
TRATTAZIONE STATISTICA DEI DATI IDROGEOCHIMICI
Principal Component analysis (PCA) → XLSTAT 7.5 software, running on the Windows XP platform
27 - VARIABILI IDROGEOCHIMICHE (dataset rappresentato dai valori medi)
pH, temperatura, conducibilità elettrica , Li, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, F-, Cl-, NO3
-, SO4-2, HCO3
-, SiO2, V, Al, As, B, Ba, Cu, Fetot, Mntot, Ni, Pb, Rb, Sr, Zn
PCA → Unità di misura → Range delle variabili idrogeochimiche
STANDARDIZZAZIONE DELLE VARIABILI FISICO-
CHIMICHE
Variabile standardizzata = = Z1, Z2,…Zp
p
pp
2
22
1
11
σ
μX,...,
σμX
,σ
μX
NUOVA MATRICE COVARIANZA Zi =
MATRICE DI CORRELAZIONE Xi
Dove:• X1, X2,…Xp variabili di
origine;• 1, 2,… p valori medi;• s1, s2,... sp deviazioni
standard• Z1, Z2, …ZP variabili
normalizzate
VARIABILI NORMALIZZATEMedia = 0
Deviazione standard = 1
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
2222Serena PARISI
Principal Components PC 1 PC 2 PC 3 PC 4 PC 5 PC 6 PC 7 PC 8 PC 9
PC 10
11,153 3,183 2,092 1,566 1,504 1,339 1,231 1,024 0,894
0,764
56,131 16,169 11,661 4,592 2,813 1,783 1,756 1,692 1,329
1,274
88,554 91,367 93,149 94,905 96,597 97,926
99,200
Principal Components PC 11 PC 12 PC 13 PC 14 PC 15 PC 16 PC 17 PC 18
PC 19
0,637 0,588 0,477 0,409 0,365 0,269 0,162 0,152
0,082
0,136 0,296 0,070 0,069 0,050 0,041 0,039 0,023
0,019
99,336 99,633 99,703 99,772 99,822 99,863 99,902 99,925
99,944
Principal Components PC 20 PC 21 PC 22 PC 23 PC 24 PC 25 PC 26 PC 27
0,038 0,033 0,023 0,008 0,006 0,001 0,001 0,0000,017 0,012 0,015 0,006 0,004 0,002 0,000 0,00099,961 99,973 99,988 99,994 99,997 99,999 99,999 100,000Cumulative variance (%)
EigenvaluesVariance (%)Cumulative variance (%)
EigenvaluesVariance (%)
EigenvaluesVariance (%)
Cumulative variance (%)
56,131 72,300 83,961
SCELTA DELLE COMPONENTI PRINCIPALI →FACTORS LOADINGS MATRIX
Legge di Kaiser → Autovalore > 1
1
2Componenti con varianza cumulativa ~ 80%-90%
00
21
1 9080
p
k
VARIANZA %
“Screen Plot” 3
VARIANZA CUMULATIVA %
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
2323Serena PARISI
PC1 PC2 PC3pH 0.17 -0.75 -0.07
E.C. 0.98 -0.06 0.17Temperature 0.17 0.76 0.23
Li+ 0.91 -0.15 0.15
Na+ 0.96 -0.16 0.04
K+ 0.95 -0.05 -0.12
Mg2+ 0.82 0.40 -0.21
Ca2+ 0.57 0.38 0.04
F- 0.02 -0.35 0.69
Cl- 0.93 -0.18 0.05
NO3- 0.14 -0.52 0.67
SO4-2 0.95 -0.15 -0.04
HCO3- 0.95 0.14 0.13
SiO2 -0.37 0.74 0.14V 0.15 0.31 -0.05Al -0.09 0.05 0.58As 0.09 -0.18 0.69B 0.96 -0.16 -0.02Ba 0.34 0.32 -0.00Cu 0.19 -0.06 0.63Fetot 0.65 0.21 -0.18Mntot 0.74 0.31 0.17Ni 0.08 0.08 -0.23Pb 0.13 0.03 0.68Rb 0.87 -0.04 -0.68Sr 0.79 0.42 -0.64Zn -0.31 -0.18 0.67
Eigenvalues 11.15 3.18 2.09Variance (%) 56.13 16.17 11.66
Cumulative variance (%) 56.13 18.51 30.17
Pricipal ComponentsChemical variables
COMPONENTI PRINCIPALI → PC’s loading factors
PC1 (56%)→ COMPONENTE PRINCIPALEPC1→FATTORE INTERAZIONE ACQUA-ROCCIA
PC2 (16%) → COMPONENTE SECONDARIA; sistema tampone della silice durante i processi di weathering dei silicati.
PC3 (11,66%) → COMPONENTE TERZIARIA;PC3 potrebbe essere collegato ad una maggiore aggressività delle acque (>CO2)
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
2424Serena PARISI
CONCLUSIONILO STUDIO MULTIDISCIPLINARE APPLICATO AL BACINO
IDROGEOLOGICO DEL MONTE VULTURE HA MESSO IN EVIDENZA:
L’approccio GIS-based, partendo dalle informazioni archiviate ed organizzate nel Geodatabase progettato, ha permesso mediante una serie di analisi spaziali (geoprocessing) la creazione di molteplici livelli informativi.
La distribuzione spaziale e le elaborazioni dei numerosi dati relativi al contesto geologico, idrogeologico ed idrogeochimico dell’importante bacino idrominerario unitamente all’analisi statistica hanno permesso di definire quanto segue:
L’associazione dei dati ha consentito l’identificazione di relazioni non immediatamente identificabili, grazie ad analisi effettuate attraverso l’overlay di più tematismi.
- I caratteri compositivi delle acque del Monte Vulture derivano principalmente dai processi di interazione acqua-roccia vulcanica.- La correlazione tra dati idrologici, distribuzione spaziale dei caratteri compositivi delle acque sotterranee e quote di ricarica calcolate attraverso il gradiente isotopico verticale ha consentito di proporre un modello idrogeologico concettuale che definisce in sintesi i patterns idrogeologici del bacino del Monte Vulture. - La trattazione statistica ha confermato quanto evinto dai metodi della geochimica classica.
INPUT 2010 - POTENZA, 13-15 SETTEMBRE 2010
2525Serena PARISI……working together!working together!
GRAZIEPER L’ATTENZIONE