This thesis is concerned with environmental and hydrogeological issues approached by geostatistical methods. All the afforded issues have a common and difficult task to deal with. In particular, there is the need to build the complete spatial distribution of a studied property in a given spatial (or spatiotemporal) domain, using a limited number of unevenly spaced samples and using “expert knowledge”. Unfortunately this is a difficult task affected by uncertainty. Uncertainty about the real complete spatial distribution of the studied property arises from the complexity and heterogeneity of processes involved in the studied phenomena as well as from the characteristics of the available information that is fragmentary and heterogeneous. Uncertainty in the spatial distribution of the studied properties means that many scenarios, representing the spatial distribution of the studied properties, are compatible with the available information. Within a geostatistical framework, taking into account the random as well as the structured (fuzzy) behavior of the spatial phenomena, the spatial uncertainty may be conveniently quantified and analyzed, offering very useful tools for decision-making processes. The first part of the work is dedicated to presenting the geostatistical theory, giving more weight to those aspects (exploratory data analysis, indicator coding of information, use of secondary information, quantification of spatial uncertainty using simulations) that play an important role in hydrogeological and environmental issues. Then, four hydrogeological and environmental issues (figure), whose sites are all located in Veneto Region (Italy), are approached by using geostatistical methods. Case study 1. Stochastic geomodeling: “Porto Marghera” test site In this case study we are interested in quantifying the spatial uncertainty relative to the 3D geological architecture, in correspondence of the industrial site of “Porto Marghera” (lagoon of Venice, Italy). To perform this task 769 boreholes are available, permitting the geostatistical modeling of a 3D spatial domain with a area extension of some hectares and a vertical thickness of 18 m . The sedimentary environment investigated is mainly represented by Pleistocene fluvio-lacustrine deposits and secondarily by Holocene lagoonal and fluvial deposits. The information contained in the analyzed stratigraphic database is codified according to granulometric compositional classes. After performing an exploratory data analysis, the spatial continuity of each compositional class is studied calculating a 3D experimental indicator variogram. Then, the inference process of the continuity structures for each compositional class is conducted. Finally, indicator kriging and sequential indicator simulation procedures are performed to assess local as well as spatial uncertainty. The results of indicative estimations and simulations are discussed, with particular attention to the use of geostatistical geomodeling tools in the field of groundwater modeling. Case study 2. Soil pollution in a dismantled industrial area The study area is located in the city of Padova (Veneto region, NE Italy). The industrial activities present in this area since 1950 have produced very high concentrations of Pb down to a depth of 7 m, interesting the unsaturated as well as the saturated zones. In many studies of polluted sites, the geometry of the investigated volume is highly anisotropic. Generally we have an extension of some hectares in the horizontal plane and of a few meters in depth. It is likely that different horizontal spatial continuity structures in pollution distribution are found at different depths both for the layered nature of the medium and for the transition from unsaturated to saturated conditions. In such conditions the decision to divide a 3D problem into 1D and 2D problems can be useful. For this reason the study is approached in two phases. First, after analyzing the spatial distribution of Pb values along the vertical direction, a kriging with trend interpolation is performed along boreholes. Then, the geostatistical study is performed along seven horizontal layers, positioned at different depths between ground level and 5 m in depth, leading to the construction of 500 realizations of the Pb distribution, using a simulated annealing procedure. Finally, results are presented and discussed for each layer in terms of median and probability maps. Case study 3. Spatial distribution of temperature in the geothermal euganean field The Euganean geothermal reservoir is principally located in fractured Mesozoic limestone. The analysis of 186 ground water temperature measurements, ranging between 60°C and 86°C, reveals that the spatial distribution of temperatures along the geothermal area is characterized by some degree of spatial continuity. This pattern in the spatial distribution of temperatures to some extent seems related to the structural framework of the area and should be taken into account when quantifying the uncertainty in the spatial distribution of temperature. Geostatistical tools are good candidates for this task and in particular a simulated annealing procedure is used to build many scenarios (simulations) representing the spatial distribution of temperatures. These simulations reproduce the spatial continuity and the connectivity of high temperature values revealed from data analysis. The post processing of these simulations permits the evaluation of the uncertainty in the spatial distribution of temperature and above all the individuation of new potential exploitation areas. Case study 4. Nitrate pollution in groundwater The geostatistical methodology is applied to a groundwater pollution case in an area situated near Padova (northeast Italy). The study of pollution mainly involves the unconfined aquifer developed in an alluvial plain, with the subsoil consisting of an undifferentiated cover of gravel with sand, deposited by the Brenta river, locally interbedded with clay layers. Qualitative degradation of water is strongly related to industrial and agricultural activities. The water samples collected show the presence of relatively high concentrations of nitrate. The data set analyzed is composed of 3361 nitrate concentration values relative to water samples collected between the 1990 and 1994. Poor sampling strategy permits only a partial study of the spatiotemporal distribution of nitrate. After some consideration about the spatial and temporal variability of nitrate concentration it is possible to perform a complete geostatistical study for a densely sampled month (March ‘92). For this month a simulated annealing approach is used to build conditional simulations of the spatial distribution of nitrate. The simulations are post-processed and the results discussed.

In questa tesi una serie di problematiche di tipo idrogeologico ed ambientale vengono affrontate secondo la metodologia geostatistica. Le casistiche affrontate sono caratterizzate da un compito comune. In particolare, si e` interessati a conoscere in maniera esaustiva la distribuzione spaziale (o spazio-temporale) di una proprietà-fisico chimica a partire da un insieme frammentario ed eterogeneo di informazioni. Tale compito, inevitabilmente, e` caratterizzato da incertezza. L’incertezza circa la reale distribuzione spaziale della proprietà studiata deriva sia dalla complessità ed eterogeneità dei processi fisico-chimici coinvolti nei fenomeni analizzati sia dalla frammentarietà ed eterogeneità dell’informazione disponibile. In pratica, più scenari della distribuzione spaziale della proprietà fisico-chimica di interesse sono compatibili con le informazioni in nostro possesso. La metodologia geostatistica, permettendo di utilizzare la struttura sfumata che sovente caratterizza la distribuzione spaziale delle proprietà studiate, consente l’analisi e la quantificazione dell’incertezza spaziale, offrendo una serie di strumenti estremamente utili per operare eventuali processi decisionali. Nella parte iniziale della tesi, ci si dedica all’esposizione e all’approfondimento di quelle tematiche (analisi esplorativa dei dati, codifica indicativa dell’informazione, quantificazione dell’incertezza spaziale mediante la costruzioni di simulazioni condizionate) che risultano particolarmente rilevanti nel contesto idrogeologico ed ambientale. Quindi, quattro casistiche di studio (vedi figura) di ambito idrogeologico ed ambientale sono affrontate utilizzando gli strumenti geostatistici. Caso di studio 1. Ricostruzione probabilistiche del sottosuolo: il caso di Porto Marghera In questo caso di studio si e` interessati a quantificare l’incertezza spaziale circa la distribuzione spaziale 3D dei corpi sedimentari, in corrispondenza del sito industriale di “Porto Marghera”, posto ai margini della laguna di Venezia. Allo scopo vi sono a disposizione 769 carotaggi, ubicati su un’area di pochi ettari di estensione ed interessanti i primi 18 m del sottosuolo. Gli ambienti sedimentari incontrati sono rappresentati principalmente da depositi fluviali e fluvio-lacustri pleistocenici e solo marginalmente da depositi lagunari e fluviali olocenici. L’informazione contenuta nel database stratigrafico e` stata convenientemente codificata in termini di classi composizionali granulometriche. Conseguentemente, per ogni classe, si e` provveduto ad eseguire un’analisi esplorativa dei dati e lo studio della continuità spaziale, mediante il calcolo del variogramma indicativo 3D. Quindi, per le classi composizionali definite, e` stata eseguita l’inferenza dei modelli di variogramma. Infine, delle procedure di kriging indicativo e di simulazione sequenziale indicativa sono state utilizzate al fine della quantificazione dell’incertezza locale e dell’incertezza spaziale, relativamente alla distribuzione spaziale delle classi composizionali. I risultati delle elaborazioni sono analizzati e commentati, con particolar riguardo al loro utilizzo in ambito della modellistica del flusso sotterraneo. Caso di studio 2. Inquinamento del suolo in un area industriale dismessa L’area di studio e` situata nella città di Padova (Regione Veneto, Italia). Le attività industriali presenti nell’area dal 1950 hanno portato ad un degrado ambientale rilevante, come indicato, anche, dall’elevate concentrazioni di Piombo che si rinvengono nel suolo sino ad un profondità di 7 m, sia in corrispondenza della zona insatura sia della zona satura. Nella gran parte dei siti inquinati la geometria del dominio dimensionale investigato risulta notevolmente anisotropa. Generalmente e` caratterizzata da un’estensione nel piano orizzontale di alcuni ettari e un’estensione lungo la direzione verticale di pochi metri. Inoltre, le caratteristiche della distribuzione spaziale orizzontale degli inquinanti tendono a cambiare con la profondità, sia a causa della natura stratificata ed eterogenea del sottosuolo sia per effetto del passaggio tra condizioni insature e sature. In tali casi può risultare ragionevole suddividere il problema 3D in una serie di problemi 2D, scomponendo il dominio di studio in una serie di livelli orizzontali posti a differenti profondità. Per seguire tale approccio, in una prima fase e` stata studiata la distribuzione spaziale del piombo lungo la verticale e si e` utilizzato il kriging con deriva per eseguire delle stime lungo i carotaggi. Quindi, si e` proceduto alla studio geostatistico della distribuzione spaziale bidimensionale del piombo di una serie di livelli orizzontali, distribuiti dal piano campagna fino a 5 m di profondità. Per ognuno di tali livelli, utilizzando una procedura di “simulated annealing” sono state generate 500 simulazioni della distribuzione spaziale del piombo. Conseguentemente, i risultati delle post elaborazioni delle simulazioni sono presentati e commentati. Caso di studio 3. Distribuzione delle temperature nel bacino termale euganeo Il reservoir termale considerato e` principalmente localizzato nel calcare fratturato mesozoico dell’area euganea (Regione Veneto, Italia). L’analisi dei 186 valori di temperatura delle acque termali, oscillanti tra i 60 oC e gli 86 oC, evidenzia la presenza di una certa continuità nella distribuzione spaziale delle temperature. La struttura di continuità spaziale sembra in qualche modo relazionata alle caratteristiche tettonico-strutturali dell’area e deve essere presa in considerazione nel processo di quantificazione dell’incertezza della distribuzione spaziale delle temperature. Allo scopo le metodologie geostatistiche risultano particolarmente utili; a riguardo si e` utilizzata una procedura di “simulated annealing” al fine di costruire delle simulazioni condizionate riproducenti la continuità spaziale delle temperature e la connettività di valori elevati di temperatura. I risultati delle post-elaborazioni sono quindi presentati e commentati, con particolare riguardo all’individuazione di nuove aree di estrazione di acque termali. Caso di studio 4. Inquinamento da nitrati nelle acque sotterranee I metodi di analisi geostatistici sono applicati allo studio di un fenomeno inquinante delle acque sotterranee, di un area situata a nord di Padova (Italia). Lo studio dell’inquinamento riguarda, principalmente, l’acquifero non confinato che si sviluppa nella pianura alluvionale, costituito da depositi di ghiaia e sabbia, localmente interdigitati a depositi argillosi, deposti dal fiume Brenta. Il degrado qualitativo delle acque e` principalmente legato alle attività agricole ed industriali presenti nell’area. Il dataset analizzato e` composto da 3361 misurazioni delle concentrazioni di nitrati effettuate tra il 1990 ed il 1994. La cattiva strategia di campionamento permette solo uno studio solo parziale spazio-temporale del fenomeno. Oltre ad effettuare alcune considerazioni circa la variabilità spaziale e temporale dei nitrati e` stato possibile effettuare uno studio geostatistico per un mese (marzo `92) particolarmente campionato. Per tale subset e` stata utilizzata una procedura di “simulated annealing” per la costruzione di simulazioni condizionate, rappresentanti la distribuzione spaziale dei nitrati. I risultati delle post-elaborazioni sono presentati e commentati.

Geostatistica nel contesto idrogeologico ed ambientale / Trevisani, Sebastiano. - (2005 Mar).

Geostatistica nel contesto idrogeologico ed ambientale

Trevisani, Sebastiano
2005

Abstract

This thesis is concerned with environmental and hydrogeological issues approached by geostatistical methods. All the afforded issues have a common and difficult task to deal with. In particular, there is the need to build the complete spatial distribution of a studied property in a given spatial (or spatiotemporal) domain, using a limited number of unevenly spaced samples and using “expert knowledge”. Unfortunately this is a difficult task affected by uncertainty. Uncertainty about the real complete spatial distribution of the studied property arises from the complexity and heterogeneity of processes involved in the studied phenomena as well as from the characteristics of the available information that is fragmentary and heterogeneous. Uncertainty in the spatial distribution of the studied properties means that many scenarios, representing the spatial distribution of the studied properties, are compatible with the available information. Within a geostatistical framework, taking into account the random as well as the structured (fuzzy) behavior of the spatial phenomena, the spatial uncertainty may be conveniently quantified and analyzed, offering very useful tools for decision-making processes. The first part of the work is dedicated to presenting the geostatistical theory, giving more weight to those aspects (exploratory data analysis, indicator coding of information, use of secondary information, quantification of spatial uncertainty using simulations) that play an important role in hydrogeological and environmental issues. Then, four hydrogeological and environmental issues (figure), whose sites are all located in Veneto Region (Italy), are approached by using geostatistical methods. Case study 1. Stochastic geomodeling: “Porto Marghera” test site In this case study we are interested in quantifying the spatial uncertainty relative to the 3D geological architecture, in correspondence of the industrial site of “Porto Marghera” (lagoon of Venice, Italy). To perform this task 769 boreholes are available, permitting the geostatistical modeling of a 3D spatial domain with a area extension of some hectares and a vertical thickness of 18 m . The sedimentary environment investigated is mainly represented by Pleistocene fluvio-lacustrine deposits and secondarily by Holocene lagoonal and fluvial deposits. The information contained in the analyzed stratigraphic database is codified according to granulometric compositional classes. After performing an exploratory data analysis, the spatial continuity of each compositional class is studied calculating a 3D experimental indicator variogram. Then, the inference process of the continuity structures for each compositional class is conducted. Finally, indicator kriging and sequential indicator simulation procedures are performed to assess local as well as spatial uncertainty. The results of indicative estimations and simulations are discussed, with particular attention to the use of geostatistical geomodeling tools in the field of groundwater modeling. Case study 2. Soil pollution in a dismantled industrial area The study area is located in the city of Padova (Veneto region, NE Italy). The industrial activities present in this area since 1950 have produced very high concentrations of Pb down to a depth of 7 m, interesting the unsaturated as well as the saturated zones. In many studies of polluted sites, the geometry of the investigated volume is highly anisotropic. Generally we have an extension of some hectares in the horizontal plane and of a few meters in depth. It is likely that different horizontal spatial continuity structures in pollution distribution are found at different depths both for the layered nature of the medium and for the transition from unsaturated to saturated conditions. In such conditions the decision to divide a 3D problem into 1D and 2D problems can be useful. For this reason the study is approached in two phases. First, after analyzing the spatial distribution of Pb values along the vertical direction, a kriging with trend interpolation is performed along boreholes. Then, the geostatistical study is performed along seven horizontal layers, positioned at different depths between ground level and 5 m in depth, leading to the construction of 500 realizations of the Pb distribution, using a simulated annealing procedure. Finally, results are presented and discussed for each layer in terms of median and probability maps. Case study 3. Spatial distribution of temperature in the geothermal euganean field The Euganean geothermal reservoir is principally located in fractured Mesozoic limestone. The analysis of 186 ground water temperature measurements, ranging between 60°C and 86°C, reveals that the spatial distribution of temperatures along the geothermal area is characterized by some degree of spatial continuity. This pattern in the spatial distribution of temperatures to some extent seems related to the structural framework of the area and should be taken into account when quantifying the uncertainty in the spatial distribution of temperature. Geostatistical tools are good candidates for this task and in particular a simulated annealing procedure is used to build many scenarios (simulations) representing the spatial distribution of temperatures. These simulations reproduce the spatial continuity and the connectivity of high temperature values revealed from data analysis. The post processing of these simulations permits the evaluation of the uncertainty in the spatial distribution of temperature and above all the individuation of new potential exploitation areas. Case study 4. Nitrate pollution in groundwater The geostatistical methodology is applied to a groundwater pollution case in an area situated near Padova (northeast Italy). The study of pollution mainly involves the unconfined aquifer developed in an alluvial plain, with the subsoil consisting of an undifferentiated cover of gravel with sand, deposited by the Brenta river, locally interbedded with clay layers. Qualitative degradation of water is strongly related to industrial and agricultural activities. The water samples collected show the presence of relatively high concentrations of nitrate. The data set analyzed is composed of 3361 nitrate concentration values relative to water samples collected between the 1990 and 1994. Poor sampling strategy permits only a partial study of the spatiotemporal distribution of nitrate. After some consideration about the spatial and temporal variability of nitrate concentration it is possible to perform a complete geostatistical study for a densely sampled month (March ‘92). For this month a simulated annealing approach is used to build conditional simulations of the spatial distribution of nitrate. The simulations are post-processed and the results discussed.
In questa tesi una serie di problematiche di tipo idrogeologico ed ambientale vengono affrontate secondo la metodologia geostatistica. Le casistiche affrontate sono caratterizzate da un compito comune. In particolare, si e` interessati a conoscere in maniera esaustiva la distribuzione spaziale (o spazio-temporale) di una proprietà-fisico chimica a partire da un insieme frammentario ed eterogeneo di informazioni. Tale compito, inevitabilmente, e` caratterizzato da incertezza. L’incertezza circa la reale distribuzione spaziale della proprietà studiata deriva sia dalla complessità ed eterogeneità dei processi fisico-chimici coinvolti nei fenomeni analizzati sia dalla frammentarietà ed eterogeneità dell’informazione disponibile. In pratica, più scenari della distribuzione spaziale della proprietà fisico-chimica di interesse sono compatibili con le informazioni in nostro possesso. La metodologia geostatistica, permettendo di utilizzare la struttura sfumata che sovente caratterizza la distribuzione spaziale delle proprietà studiate, consente l’analisi e la quantificazione dell’incertezza spaziale, offrendo una serie di strumenti estremamente utili per operare eventuali processi decisionali. Nella parte iniziale della tesi, ci si dedica all’esposizione e all’approfondimento di quelle tematiche (analisi esplorativa dei dati, codifica indicativa dell’informazione, quantificazione dell’incertezza spaziale mediante la costruzioni di simulazioni condizionate) che risultano particolarmente rilevanti nel contesto idrogeologico ed ambientale. Quindi, quattro casistiche di studio (vedi figura) di ambito idrogeologico ed ambientale sono affrontate utilizzando gli strumenti geostatistici. Caso di studio 1. Ricostruzione probabilistiche del sottosuolo: il caso di Porto Marghera In questo caso di studio si e` interessati a quantificare l’incertezza spaziale circa la distribuzione spaziale 3D dei corpi sedimentari, in corrispondenza del sito industriale di “Porto Marghera”, posto ai margini della laguna di Venezia. Allo scopo vi sono a disposizione 769 carotaggi, ubicati su un’area di pochi ettari di estensione ed interessanti i primi 18 m del sottosuolo. Gli ambienti sedimentari incontrati sono rappresentati principalmente da depositi fluviali e fluvio-lacustri pleistocenici e solo marginalmente da depositi lagunari e fluviali olocenici. L’informazione contenuta nel database stratigrafico e` stata convenientemente codificata in termini di classi composizionali granulometriche. Conseguentemente, per ogni classe, si e` provveduto ad eseguire un’analisi esplorativa dei dati e lo studio della continuità spaziale, mediante il calcolo del variogramma indicativo 3D. Quindi, per le classi composizionali definite, e` stata eseguita l’inferenza dei modelli di variogramma. Infine, delle procedure di kriging indicativo e di simulazione sequenziale indicativa sono state utilizzate al fine della quantificazione dell’incertezza locale e dell’incertezza spaziale, relativamente alla distribuzione spaziale delle classi composizionali. I risultati delle elaborazioni sono analizzati e commentati, con particolar riguardo al loro utilizzo in ambito della modellistica del flusso sotterraneo. Caso di studio 2. Inquinamento del suolo in un area industriale dismessa L’area di studio e` situata nella città di Padova (Regione Veneto, Italia). Le attività industriali presenti nell’area dal 1950 hanno portato ad un degrado ambientale rilevante, come indicato, anche, dall’elevate concentrazioni di Piombo che si rinvengono nel suolo sino ad un profondità di 7 m, sia in corrispondenza della zona insatura sia della zona satura. Nella gran parte dei siti inquinati la geometria del dominio dimensionale investigato risulta notevolmente anisotropa. Generalmente e` caratterizzata da un’estensione nel piano orizzontale di alcuni ettari e un’estensione lungo la direzione verticale di pochi metri. Inoltre, le caratteristiche della distribuzione spaziale orizzontale degli inquinanti tendono a cambiare con la profondità, sia a causa della natura stratificata ed eterogenea del sottosuolo sia per effetto del passaggio tra condizioni insature e sature. In tali casi può risultare ragionevole suddividere il problema 3D in una serie di problemi 2D, scomponendo il dominio di studio in una serie di livelli orizzontali posti a differenti profondità. Per seguire tale approccio, in una prima fase e` stata studiata la distribuzione spaziale del piombo lungo la verticale e si e` utilizzato il kriging con deriva per eseguire delle stime lungo i carotaggi. Quindi, si e` proceduto alla studio geostatistico della distribuzione spaziale bidimensionale del piombo di una serie di livelli orizzontali, distribuiti dal piano campagna fino a 5 m di profondità. Per ognuno di tali livelli, utilizzando una procedura di “simulated annealing” sono state generate 500 simulazioni della distribuzione spaziale del piombo. Conseguentemente, i risultati delle post elaborazioni delle simulazioni sono presentati e commentati. Caso di studio 3. Distribuzione delle temperature nel bacino termale euganeo Il reservoir termale considerato e` principalmente localizzato nel calcare fratturato mesozoico dell’area euganea (Regione Veneto, Italia). L’analisi dei 186 valori di temperatura delle acque termali, oscillanti tra i 60 oC e gli 86 oC, evidenzia la presenza di una certa continuità nella distribuzione spaziale delle temperature. La struttura di continuità spaziale sembra in qualche modo relazionata alle caratteristiche tettonico-strutturali dell’area e deve essere presa in considerazione nel processo di quantificazione dell’incertezza della distribuzione spaziale delle temperature. Allo scopo le metodologie geostatistiche risultano particolarmente utili; a riguardo si e` utilizzata una procedura di “simulated annealing” al fine di costruire delle simulazioni condizionate riproducenti la continuità spaziale delle temperature e la connettività di valori elevati di temperatura. I risultati delle post-elaborazioni sono quindi presentati e commentati, con particolare riguardo all’individuazione di nuove aree di estrazione di acque termali. Caso di studio 4. Inquinamento da nitrati nelle acque sotterranee I metodi di analisi geostatistici sono applicati allo studio di un fenomeno inquinante delle acque sotterranee, di un area situata a nord di Padova (Italia). Lo studio dell’inquinamento riguarda, principalmente, l’acquifero non confinato che si sviluppa nella pianura alluvionale, costituito da depositi di ghiaia e sabbia, localmente interdigitati a depositi argillosi, deposti dal fiume Brenta. Il degrado qualitativo delle acque e` principalmente legato alle attività agricole ed industriali presenti nell’area. Il dataset analizzato e` composto da 3361 misurazioni delle concentrazioni di nitrati effettuate tra il 1990 ed il 1994. La cattiva strategia di campionamento permette solo uno studio solo parziale spazio-temporale del fenomeno. Oltre ad effettuare alcune considerazioni circa la variabilità spaziale e temporale dei nitrati e` stato possibile effettuare uno studio geostatistico per un mese (marzo `92) particolarmente campionato. Per tale subset e` stata utilizzata una procedura di “simulated annealing” per la costruzione di simulazioni condizionate, rappresentanti la distribuzione spaziale dei nitrati. I risultati delle post-elaborazioni sono presentati e commentati.
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Geostatistica nel contesto idrogeologico ed ambientale / Trevisani, Sebastiano. - (2005 Mar).
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