Lepore, Daniele (2024) Impatto delle variazioni climatiche sui processi di ricarica degli acquiferi carbonatici dell’Appennino meridionale mediante l’uso di modelli climatici regionali e dati satellitari. [Tesi di dottorato]

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Abstract

Gli acquiferi carbonatici rivestono un ruolo vitale nell’approvvigionamento delle risorse idriche sia a livello nazionale che europeo. Nell’Italia meridionale, occupano una vasta porzione del territorio, circa il 45%, e rappresentano una risorsa fondamentale per l’approvvigionamento idrico in diversi settori, tra cui l’uso domestico, industriale e termominerale (Celico, 1983; Celico et al., 2000; Allocca et al., 2007; De Vita et al., 2018). Oltre al loro impatto sull’economia e sullo sviluppo sociale, questi acquiferi giocano un ruolo cruciale negli ecosistemi fluviali, terrestri e costieri, influenzando direttamente le acque sotterranee di cui dipendono tali ecosistemi (Goldscheider, 2012). Nell’Italia meridionale, la rilevanza degli acquiferi carbonatici risiede nella loro particolare combinazione di elementi geologici, strutturali, idrogeologici, geomorfologici e climatici. Questi fattori favoriscono la presenza di numerosi acquiferi, caratterizzati da un’elevata circolazione autonoma delle acque sotterranee, fondamentali per sostenere le reti idriche regionali e garantire l'equilibrio degli ecosistemi. In relazione a tale problematica, la presente tesi di dottorato ha avuto due obiettivi principali. Il primo ha riguardato l’analisi degli effetti dei cambiamenti climatici sulla ricarica dei 40 principali acquiferi carbonatici dell’Italia meridionale a differenti scale spaziali e temporali mediante l’applicazione dei sofisticati modelli climatici previsionali (GCM/RCM), capaci di descrivere dei veri e propri scenari predittivi dei tassi di precipitazione e temperatura dell’aria fino alla fine del secolo (2100). Il secondo invece è stato basato sull’approccio integrato tra diversi tipi di dati satellitari (contenuto d’acqua volumetrico del suolo e dell’evapotraspirazione) con dati terresti nell’acquifero carbonatico sperimentale dei Monti Soprano-Vesole-Chianello (Salerno, Italia). Concentrarsi sull’analisi degli effetti dei cambiamenti climatici a livello regionale e sull’integrazione di dati satellitari e terrestri a livello di bacino idrografico diventa cruciale per colmare le lacune informative e per valutare con maggiore precisione le tendenze, le variazioni e i potenziali impatti dei cambiamenti climatici sulla disponibilità delle risorse idriche sotterranee. Questo approccio offre una prospettiva più ampia e affidabile per garantire una gestione sostenibile delle risorse idriche. In questo lavoro di tesi sono stati investigati i criteri finora utilizzati per l’applicazione dei modelli climatici (GCM/RCM) nell’ambito della quantificazione della ricarica degli acquiferi nell’area mediterranea e in Italia. In tale contesto si è avviata una collaborazione con il Centro Italiano Ricerche Aerospaziali (CIRA) con il quale sono stati selezionati i modelli climatici (GCM/RCM) e gli scenari previsionali più idonei per una loro applicazione in ambito idrogeologico. Per ottenere una dettagliata caratterizzazione idroclimatica, è stato analizzato un insieme di 15 RCM (E15) derivati dall'European Coordinated Regional Downscaling Experiment (EURO-CORDEX), a una risoluzione spaziale di 0,11° (~12 km). In particolare, sono stati considerati due scenari climatici (RCP4.5 e RCP8.5), considerati dall’IPCC, ed è stata realizzata una nuova metodologia statistico-inferenziale per validare e tarare i modelli con dati reali frammentati nello spazio e nel tempo. L'E15 è stato tarato nel periodo di validazione (1950-1996) tramite un confronto statistico con i dati osservati dalla rete meteorologica regionale gestita dall'ex Servizio Idrologico Nazionale (SIMN), Dipartimento di Napoli, attivo nel periodo 1921-1999. Sono stati valutati gli effetti dei cambiamenti climatici sugli scenari di temperatura dell'aria (T) e precipitazioni (P) e, di conseguenza, sugli scenari di evapotraspirazione reale (ETR) e precipitazioni efficaci Pe (P – ETR). Quest’ultima è stata considerata come un indicatore della ricarica delle principali falde acquifere, rappresentate principalmente dagli acquiferi carsici. La valutazione degli impatti futuri sulla ricarica delle acque sotterranee è stata condotta stimando il Coefficiente di Ricarica Annuale delle Acque Sotterranee (AGRCRCM), che corrisponde al rapporto tra la ricarica delle acque sotterranee e la precipitazione efficace (P – ETR) derivata dai modelli climatici regionali (E15). A tal fine, sono stati selezionati quattro acquiferi carbonatici rappresentativi in base alla disponibilità di misurazioni affidabili del deflusso medio annuo delle sorgenti. I valori ottenuti, la cui risoluzione spaziale dipende da quella dell’E15, sono stati poi impiegati per sviluppare un modello empirico per valutare l'AGRCRCM e gli scenari di ricarica annua media delle acque sotterranee negli altri 40 principali acquiferi carsici regionali. Infine, l’analisi della ricarica degli acquiferi è stata effettuata per entrambi gli scenari RCP per tre periodi consecutivi di 30 anni ciascuno: 2011–2040 (breve termine), 2041–2070 (medio termine) e 2071–2100 (lungo termine). Come risultato principale, l’E15 ha mostrato una struttura statistica molto simile a quella delle precipitazioni annuali e della temperatura media annua dell'aria osservata, caratterizzata da una distribuzione di frequenza molto simile. Di conseguenza, è stato adottato un approccio statistico inferenziale per tarare le precipitazioni e la temperatura dell'aria (E15) basato sulla compensazione della differenza con i dati di precipitazione (+7%) e temperatura dell’aria (-16%) osservati. L’E15 proietta una diminuzione delle precipitazioni e un aumento della temperatura dell’aria in entrambi gli scenari RCP, con un punto di divergenza tra i due scenari previsto intorno al 2040. La Pe mostra tendenze decrescenti per entrambi gli scenari RCP, raggiungendo una diminuzione della media mobile su 11 anni fino al -20%, per RCP4.5, e al -50%, per RCP8.5, anche se caratterizzata da rilevanti fluttuazioni interannuali. Tramite l’applicazione degli E15 di precipitazione e temperatura dell’aria sono stati stimati AGRCRCM con valori compresi tra il 59% e il 93%. Con questi valori è stata determinata la ricarica media annuale delle acque sotterranee per il periodo storico (1950-2005) e successivamente è stata validata mediante il confronto con le misurazioni esistenti del deflusso idrico sotterraneo. Le proiezioni dei modelli climatici, confrontate con il valore medio del periodo storico (1950-2005), mostrano un graduale decremento della ricarica delle acque sotterranee in tutta la regione nel breve termine (2011–2040), medio termine (2041–2070) e lungo termine (2071–2100). La diminuzione più significativa, superiore al 40%, è osservata per lo scenario RCP 8.5 nel periodo a lungo termine (2071–2100), mentre si osserva una diminuzione del 15% per lo scenario RCP 4.5. Questi risultati contribuiscono a una comprensione più approfondita dei possibili pattern dei afflusso/ricarica/deflusso sotterraneo dei principali acquiferi carsici del sud Italia, consentendo di aumentare la consapevolezza degli effetti dei cambiamenti climatici sulla disponibilità delle risorse idriche sotterranee a lungo termine. Infine, il Copernicus Global Land Services Soil Water Index (SWI) con risoluzione di 1 km (Sentinel-1 C-banda SAR) e il prodotto di Evapotraspirazione Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS16A2) con risoluzione di 0.5 km (MODIS) sono stati esplorati per valutare il contenuto volumetrico d’acqua nel suolo e i regimi di evapotraspirazione dell’acquifero campione rappresentativo dei Monti Soprano-Vesole-Chianello (Campania, Italia meridionale) nel periodo 2021-2022. L'analisi è stata condotta in collaborazione con il Dipartimento di Geoecologia presso la Martin Luther University Halle (Germania) e ha incluso il confronto dei dati satellitari con le serie temporali raccolte da una rete di monitoraggio composta da 5 sonde multi-profilo per l'umidità del suolo, attive dal 2021. Il risultato principale di questo studio è stata l’estrazione dei valori SWI e il calcolo di un valore medio per gli 8 valori SWI, ponderati dal fattore di qualità correlato (SWIw). SWIw ha mostrato una differenza costante di circa -20% rispetto ai valori medi giornalieri ottenuti dal monitoraggio sul campo. Nonostante questa discrepanza, si è riscontrato che la tendenza annuale del SWIw è risultata molto coerente con le misurazioni delle sonde di umidità del suolo (corr. > 0,68) e ha mostrato una buona risposta agli eventi di pioggia. Inoltre, i dati di ET MODIS hanno mostrato il pattern atteso di evapotraspirazione con una risoluzione temporale non raggiungibile in altri modi considerando la mancanza di dati meteorologici locali. I risultati indicano che SWI1km e MODIS16A2 consentono di stimare l'umidità del suolo e l'evapotraspirazione degli acquiferi carsici. Nonostante alcune limitazioni dovute alle lacune/mancanze dei dati, entrambi i set di dati possono essere considerati validi per migliorare la valutazione del regime idrologico delle coperture del suolo degli acquiferi carsici e per stimare la ricarica delle acque sotterranee. I risultati ottenuti con l’applicazione di dati satellitari di ultima generazione (SENTINEL-1 e MODIS), finora ampiamente utilizzati nel campo dello studio delle risorse idriche s.l. e agricolturali, sono considerati innovativi nello studio della ricarica degli acquiferi carbonatici, aprendo nuove prospettive nella caratterizzazione, alla scala regionale, dei sistemi superficiali suolo/vegetazione che ne controllano il regime di ricarica. Tale caratterizzazione a scala regionale è intesa essere funzionale all’integrazione con gli scenari di ricarica basati sui modelli RCM.

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