Non invasive hydrogeophysical techniques for vadose zone hydrological characterization

Hydrogeophysics is a discipline that emerged and had a great development in the last two decades. The aim of this discipline is the subsurface hydrological and hydrogeological characterization via non-invasive geophysical techniques. Conventional sampling techniques, for characterizing or monitoring the shallow subsurface, are typically sparsely distributed or acquired at an inappropriate scale. Non-invasive geophysical datasets can provide more dense 2D/3D information. The present work focused on the hydrological characterization of the vadose zone, as it is a challenging issue that may be more deeply and extended understood. The dependence of the geophysical response on changes in soil moisture content, e.g. via changes in electrical resistivity or dielectric properties, is the key mechanism that permits the use of non-invasive techniques to monitor the vadose zone in time-lapse mode, i.e. via repeated measurements over time. The use of these techniques in different configurations in the shallow and deep vadose zones can provide high-resolution images of hydrogeological structures and a detailed assessment of dynamic processes in the subsurface environment. The data from non-invasive techniques can subsequently be used to calibrate physical-mathematical models of water flow in the unsaturated zone. The understanding of fluid-dynamics is the key to all hydrologically-controlled environmental problems. The hydrogeophysical approach is based on links that can be established between geophysical quantities and hydrological variables, such as water content and solute concentration, generally in the form of empirical or semi-empirical petrophysical relationships. The classical hydrogeophysical approach in hydraulic parameters evaluation starts from the measured geophysical data to estimate the hydrological state, albeit careful is need at this step: essential is the knowledge achievable from field data and the relative accuracy in the physical translation. Anyway this is the starting point for the hydrological simulation. Subsequently the hydrological modelled parameters may be compared and evaluated with the hydrological quantities obtained from geophysics through the petrophysical relationships. This approach can lead to erroneous parameter inference, if the spatial resolution of the geophysical techniques is not taking into account. A different approach can be proceed, to overcome this issue. In spite of translating geophysical parameters in hydrological quantities, the comparison may be done directly on the not-inverted geophysical data. The geophysical surveys can be simulated with a forward model, starting from the hydrological modelled properties distribution and applying the petrophysical relationship to reconstruct the geophysical spatially-distributed parameters. At this point geophysical measured and simulated data can be compared, with the aim of calibrate and validate the hydrological model under examination. This second approach, not requiring geophysical inversions, is able to overcome artefacts deriving from the inversion procedure; but the resolution of the surveys must be considered, because an hydrological state should not be reproduced from geophysical methodologies, even if the two datasets, both simulated and measured, are in a perfect fitting. The work is divided in two complementary parts. The first part is centred on the hydrological quasi-steady state characterization from cross-hole radar measurements. In many studies cross-borehole zero offset profiles (ZOP) are used to infer subsoil moisture content, which are a key topic in hydrological modelling and consequently in hydraulic parameters estimation. The principal aim of this work is to have a more complete view of how boreholes GPR ZOP measurements are informative of the subsoil geometry and distribution of relative permittivity. This is essential in moisture content estimation, uncertainty quantification and in the initial setting of parameters necessary for starting an hydrological model. For this purpose three different ZOP datasets are analysed: a synthetic dataset and two field-measured datasets. The second part of the work is the hydrogeophysical inversion of a tracer test in the vadose zone, conducted at the Hatfield site (near Doncaster, UK). The path of a tracer in vadose zone may be masked from the variations of the physical status surrounding the dispersive plume; this could lead to erroneous interpretations of the evolving plume. The load of the new water, that moves under gravitational forces, produces the raising of the degree of saturation in the media just below the plume. This incidental effect could significantly contribute to geophysical signals and hydrological characterizations. The aim of this study is the recognition and distinction of the paths of the new injected fluid from the groundwater, already present in the system and activated from pressure variations, in a sort of “piston” effect. The discrimination between the new percolating water and the old pushed-down water is a key issue in aquifer vulnerability and soil pollution migrations, which can affect the vadose zone. In this second part the hydrogeophysical inversion is conducted: the simulated hydrological quantities are used to obtain a geophysical forward model of ZOP surveys, that should be compared with measured ZOP soundings. An estimation of the goodness of the hydrological model is then possible. A particle tracking code is then run to detect the exact evolution of the tracer plume in the subsurface. A comparison with the results from the inverted geophysical datasets is able to discriminate the tracer fluid from the old water of the system and to individuate where the geophysical imaging could be deceptive and misleading. The present work is an example of the hydrogeophysical inversion methods, where great emphasis is focused on the characterization of the hydraulic state preceding the tracer injection test. Anyway the system must be stressed under artificial hydraulic states to force the parameters estimation and to limit the range of probable hydrological models.

L’idrogeofisica è una disciplina che è emersa ed ha avuto un importante sviluppo nelle ultime due decadi. Lo scopo di questa disciplina è la caratterizzazione idrologica ed idrogeologica del sottosuolo attraverso tecniche geofisiche non invasive. Le tecniche di campionamento convenzionali sono di norma spazialmente distribuite ed acquisite ad una scala impropria. Le tecniche geofisiche invece permettono indagini spazialmente più fitte in 2D o 3D. Il presente lavoro si focalizza sulla caratterizzazione idrologica della zona vadosa. I dati ottenuti dalle tecniche geofisiche possono essere utilizzati per calibrare modelli fisico matematici del flusso nella zona del non-saturo. Tale approccio idrogeofisico è basato su relazioni petrofisiche che legano le quantità geofisiche con le variabili idrologiche. Il classico approccio idrogeofisico parte dalle misure geofisiche per ottenere una stima di parametri idrologici, che a loro volta vengono impiegati in modelli idraulici in grado di fornire ulteriori proprietà del sistema idraulico del sottosuolo. I modelli idrologici vengono successivamente validati e calibrati con i risultati delle inversioni geofisiche in time-lapse. Questo approccio prevede l’inversione del dato geofisico, metodo che può portare ad immagini del sottosuolo che contengono artefatti e che non tengono conto della risoluzione della tecnica applicata. Un approccio differente prevede che ai parametri stimati dai modelli idraulici siano applicate le relazioni petrofisiche, al fine di tradurre le quantità idrologiche in quantità geofisiche. A questo punto la simulazione di modelli geofisici diretti permette un confronto immediato con i dati misurati, senza l’ausilio dell’inversione geofisica. Il presente lavoro è suddiviso in due parti. La prima parte è centrata sulla caratterizzazione idrologica dello stato stazionario iniziale attraverso misure radar (GPR). Lo scopo principale del lavoro è quello di quantificare quanto le misure GPR a zero offset profiling (ZOP) siano informative delle geometrie del sottosuolo e delle relative condizioni di contenuto idraulico dei materiali. Questo lavoro è essenziale per ottenere una stima del contenuto idrico del sottosuolo e della relativa incertezza che ne deriva, poiché tali stime sono il punto di partenza delle simulazioni idrauliche. La seconda parte del lavoro è focalizzata sulla inversione idrogeofisica di un test con tracciante salino condotto ad Hatfield (UK). L’approccio idrogeofisico adottato è quello di simulare misure geofisiche direttamente dalla distribuzione dei parametri idrologici calcolati, per ottenere una calibrazione di quelle quantità idrologiche scopo della metodologia applicata. La ricostruzione dell’evoluzione di un plume iniettato nella zona vadosa è interessante ai fini di identificare i possibili percorsi di un contaminante nel sottosuolo. A tale scopo un codice di particle tracking è stato applicato ai risultati dell’inversione idrologica. Il codice di partcle tracking è in grado di distinguere i percorsi dell’acqua iniettata dall’acqua già presente nel sistema e movimentata del cambiamento di pressione in atto, ‘effetto pistone’. Le inversioni delle misure geofisiche non permettono di distinguere il fluido tracciante dai cambiamenti del contenuto idrico dei materiali adiacenti al plume iniettato.