Seasonal geochemical and isotopic investigations for sustainable water resource management: a case study of the Pordenone Plain (NE Italy)

La comprensione delle risposte degli acquiferi sia agli stress naturali che antropici è essenziale per lo sviluppo di piani pratici di gestione delle risorse idriche. La geochimica e gli isotopi dell’acqua giocano un ruolo cruciale in questo processo. Per sostenere la gestione sostenibile del ciclo dell'acqua e formulare strategie di pianificazione per un uso responsabile delle risorse idriche, questo progetto di dottorato ha sviluppato un protocollo per indagini geochimiche e isotopiche stagionali di sistemi acquiferi alluvionali complessi a scala di bacino idrografico. La ricerca è stata organizzata in tre fasi principali: - Progettazione del protocollo: questa fase ha coinvolto la selezione dell'area di studio e l'esecuzione di un test preliminare per perfezionare il protocollo. - Caratterizzazione geochimica e isotopica dell’area di studio: questa fase aveva lo scopo di sviluppare un modello concettuale geochimico-isotopico dell’area di studio, consentendo l'identificazione delle aree di ricarica, la caratterizzazione degli idro-facies e la loro evoluzione nel tempo. - Monitoraggio geochimico-isotopico stagionale: per un periodo di due anni, questa fase aveva lo scopo di comprendere l'influenza dei cambiamenti climatici e dei fattori antropogenici sul sistema idrogeologico nell'area di studio. L'area di studio selezionata era la Pianura Pordenonese (PP), situata nella regione Friuli-Venezia Giulia (NE Italia). I risultati ottenuti dalla caratterizzazione geochimica-isotopica dell’area di studio ha facilitato lo sviluppo di un modello concettuale idro-geochimico completo per la PP. Questo modello ha evidenziato tre principali flussi di acque sotterranee differenziati per profondità nella pianura: - Flusso 1: un flusso superficiale che influenza gli acquiferi non confinati o semi-confinati/superficiali nell'Alta Pianura. Queste acque sono influenzate significativamente dalle precipitazioni locali. - Flusso 2: un flusso intermedio, alimentato dalla zona pre-Alpina, che include sorgenti pedemontane, acquiferi profondi non confinati nell'Alta Pianura, nonché acquiferi semi-confinati/superficiali (a una profondità di 40-50 m) situati lungo la linea delle risorgive. - Flusso 3: un flusso profondo che ha origine dalla zona di ricarica Alpina, che influenza gli acquiferi profondi confinati della Bassa Pianura. Queste acque sono arricchite in Na-K a causa di processi di scambio cationico e presentano valori di δ18O uniformemente più bassi e molto basse concentrazioni di trizio rispetto ad altri campioni di acqua, indicando un flusso sotterraneo lento. Lo sviluppo di un modello concettuale geochimico-isotopico è stato cruciale per comprendere le dinamiche idrogeologiche dell'area di studio. Infine, il monitoraggio geochimico-isotopico stagionale condotto durante il periodo 2021-2022 ha sottolineato il ruolo critico delle precipitazioni, sia pioggia che neve, all'interno del complesso sistema idrogeologico della PP. È evidente che una riduzione delle precipitazioni, come osservato durante il periodo 2021-2022, può esercitare significativi effetti negativi sull'intero sistema idrogeologico della PP, particolarmente nel Flusso 2. Tuttavia, lo studio evidenzia che il Flusso 3, nel periodo di studio, rimane inalterato dal ciclo idrogeologico attuale della PP. Questi acquiferi profondi, caratterizzati da acqua di alta qualità, bassa salinità e dall'assenza di NO3- e SO42-, rappresentano una preziosa fonte di acqua potabile che garantisce la conservazione e la gestione efficace. L'approccio multidisciplinare di questo progetto di dottorato, che combina analisi geochimiche e isotopiche con indagini litologiche ed idrogeologiche, non solo migliora la nostra comprensione dei sistemi alluvionali complessi ma fornisce anche preziosi suggerimenti che possono guidare gli sforzi futuri nella conservazione e nella gestione efficace di questa risorsa naturale essenziale.

Understanding the responses of aquifers to both natural and human-induced stresses is essential for developing practical water resource management plans. Water geochemistry and isotopes play a crucial role in this process. To support sustainable management of the water cycle and formulate planning strategies for responsible water resource use, this PhD project developed a comprehensive protocol for seasonal geochemical and isotopic investigations of complex alluvial aquifer systems at a watershed scale. The research was organized into three main phases: - Protocol design: this phase involved selecting the study area and executing a preliminary test to refine the protocol. - Geochemical and isotopic characterization of the test site: this phase aimed to develop a geochemical-isotopic conceptual model of the study site, enabling the identification of recharge areas, characterization of hydrofacies, and their evolution over time. - Seasonal geochemical-isotopic monitoring: over a two-years period, this phase aimed to understand the influence of climatic changes and anthropogenic factors on the hydrogeological system in the study area. The selected study area was the Pordenone Plain (PP) within the Friuli Plain, situated in the Friuli-Venezia Giulia region (NE Italy). The results obtained from the geochemical and isotopic characterization of the test site facilitated the development of a comprehensive hydrogeochemical conceptual model for the PP. This model highlighted three main groundwater flows differentiated by depth in the plain: - Flow 1: a superficial flow influencing unconfined or semi-confined/superficial aquifers in the High Plain. These waters are significantly influenced by local precipitation. - Flow 2: an intermediate flow, fed by the pre-Alpine zone, including foothill springs, unconfined deep aquifers in the High Plain, as well as semi-confined/surface aquifers (at a depth of 40-50 m) situated along the resurgence belt in the plain. - Flow 3: a deep flow originating from the Alpine recharge zone, which influences deep confined aquifers in the Low Plain. These waters are Na-K enriched due to cation exchange processes and exhibit lower and uniform δ18O values and very low tritium concentrations compared to other water samples, indicating slow groundwater flow. The development of a geochemical-isotopic conceptual model was crucial in understanding the hydrogeological dynamics of the study area. Finally, the seasonal geochemical and isotopic monitoring conducted during the 2021-2022 period revealed important climatic information. It highlights the critical role of precipitation, both rain and snow, within the intricate hydrogeological system of the PP. It is evident that a reduction in precipitation and snowfall, as observed during the 2021-2022 period, can exert significant negative effects on the entire hydrogeological system of the PP, particularly in Flow 2. However, the study highlights that Flow 3 appears to be minimally influenced by the observed climatic and piezometric changes in the High Plain during the study period and remained unaffected by the current hydrogeological cycle of the PP. These deep aquifers, characterized by high water quality, low salinity, and the absence of NO3- and SO42-, represent a valuable source of drinking water that ensures conservation and effective management. The multidisciplinary approach of this PhD project, combining geochemical and isotopic analyses with lithological and hydrogeological investigations, not only enhances our understanding of complex alluvial systems but also provides valuable insights that can guide future efforts in the conservation and effective management of this essential natural resource. Addressing anthropogenic factors alongside climate change becomes imperative for sustainable water resource management.