Hydraulic Head and Atmospheric Tritium to Identify Deep Fractures in Clayey Aquitards: Numerical Analysis

Gli acquitardi poco profondi e con un sostanziale tenore in argilla, situati al tetto di acquiferi sfruttati a scopo idropotabile, sono comuni sia in America Settentrionale che in Europa. L’integrità di questi acquitardi,  necessaria per preservare la qualità degli acquiferi sottostanti, dipende fortemente dalla presenza e dalle proprietà delle fratture naturali che possono costituire vie preferenziali per il trasporto di contaminanti. Precedenti studi in letteratura mettono in evidenza l’ utilità dei profili verticali di carico idraulico e di concentrazione di tritio di origine atmosferica all’interno di questi acquitardi, al fine di inferire informazioni su tali fratture. Per sviluppare una strategia efficiente all’acquisizione di dati di distribuzione di carico e concentrazione di tritio in acquitardi poco profondi, è stato impiegato FRACTRAN, un modello numerico a rete di fratture discrete (discrete- fracture network ), con l’obiettivo di simulare la distribuzione delle due grandezze lungo sezioni verticali bi-dimensionali di un sistema idealizzato acquitardo-acquifero, poco profondo e con acquitardo caratterizzato da fratture da tensione per disseccamento. Le fratture da  disseccamento tendono a presentare un tipico incremento della spaziatura laterale all’aumento della profondità per cui la loro identificazione lungo l’intero spessore dell’acquitardo costituisce una notevole  sfida. Le simulazioni numeriche hanno riguardato una sezione verticale, a stratificazione orizzontale,  costituita da uno strato acquitardo superficiale, di spessore pari a 15 m, posto al di sopra di un acquifero con flusso di falda orizzontale. La tavola d’acqua è situata al tetto dell’acquitardo ed il flusso di falda è  verticale all’interno dell’acquitardo diretto verso l’acquifero sottostante. Il tritio atmosferico penetra nella zona satura in corrispondenza della tavola d’acqua e viene trasportato verso il basso mediante una rete di fratture ricostruita statisticamente. Durante il trasporto la diffusione determina un trasferimento di massa del tritio dalle fratture all’interno dei domini a bassa permeabilità situati fra le fratture. L’esame dei risultati della simulazione indica che una attenta analisi di profili verticali di distribuzione del carico idraulico e della concentrazione di tritio, ottenuti sperimentalmente tramite sistemi di campionamento multi-livello a  profondità discrete, permette di riconoscere la presenza di percorsi preferenziali di trasporto attraverso fratture. Ancora più efficace allo scopo, comunque, risulta la possibilità di effettuare misure di carico idraulico e di concentrazione di tritio tramite misure puntuali lungo transetti orizzontali attraverso l’acquitardo (profili orizzontali). In un sito di studio, laddove sia di interesse identificare le fratture idraulicamente attive, sarà importante pianificare sia come acquisire i dati di carico e di concentrazione di tritio sia la profondità e la spaziatura orizzontale dei punti di campionamento lungo il transetto. Si presume che ogni punto di campionamento sia assegnato ad un foro di sondaggio perforato sino alla profondità desiderata. Verrà prelevato un campione di terreno infondo al foro per l’analisi del tritio e verrà installato un trasduttore di pressione per la misura del carico. In alternativa potrebbe essere installato un piezometro con un tratto filtrato molto breve (tubo micro fessurato circondato da dreno in sabbia) al fine di determinare sia il carico che la concentrazione di tritio. L’uso dei piezometri richiederà un maggiore tempo di acquisizione a causa del valore molto basso della conducibilità idraulica (K) degli acquitardi argillosi. Un piezometro può necessitare da settimane a mesi per raggiungere un equilibrio a causa del basso valore di K. L’esame dei profili orizzontali ottenuti tramite la simulazione mostra che l’efficacia del transetto orizzontale di carico idraulico e concentrazione di tritio al fine di identificare le fratture idraulicamente attive dipende dalla profondità del profilo. In un sito reale di indagine sarà necessario definire la profondità del profilo in base allo spessore dell’acquitardo al fine di ottimizzare la scelta della maggiore sensibilità possibile per l’identificazione delle fratture idraulicamente attive distribuite sull’intero spessore dell’acquitardo. I risultati della simulazione indicano che una maggiore profondità del profilo entro l’acquitardo incrementa l’efficacia di identificazione delle fratture idraulicamente attive.