Definition of the hydrogeological conceptual model with an integrated approach in earthquakes-induced changing contexts

Understanding the groundwater flow, recharge, and storage processes in carbonate aquifers represents a challenging aspect in hydrogeology. These aquifers are hosted in geological formations characterised by strong heterogeneities and anisotropies affecting the hydrodynamic characteristics of the systems. This comprehension becomes even more complicated when dealing with mountainous aquifers, where the geological and the geo-structural complexity is combined with high topographical heterogeneity. The topographical heterogeneity can significantly influence the rainfall regime, and the higher altitudes, often characterised by the presence of snow cover, make a non-negligible contribution to the aquifers' recharge processes. In this context, it has been demonstrated that high-magnitude earthquakes can change the hydrodynamic behaviour of springs and rivers showing transient or long-lasting hydrogeological modifications, making the water management a real hard task. This is the case of a wide Apennines area located in central Italy, the one affected by an intense seismic sequence between August 2016 and January 2017, characterized by nine events of Mw ≥ 5.0 (Mmax = 6.5) whose epicentre is located within the study area. This research aims to increase the hydrogeological and hydrodynamic knowledge related to groundwater circulation in carbonate aquifers by investigating possible changes in the qualitative and quantitative characteristics of groundwater flow, during and after a series of strong seismic events. A combined holistic approach, involving different disciplines and techniques, was used. The investigation starts with a more traditional hydrogeological approach, based on the application of the hydrological balance and the analysis of springs hydrographs, then validated through the results of several artificial tracer tests, hydrochemical and isotopic analyses. During the study, a detailed hydro-geo-structural survey was carried out, integrated with GIS-supported analysis, aimed both at identifying the main geological structures responsible for the groundwater flow modifications, and at characterising the hydrogeological connections between the hydrostructures recognised in the study area. The results of this research confirm the geo-structural complexity of the domain and its influence on the hydrogeological features, highlighting the role of faults, having a regional or local extension, played in modifying the groundwater flow. The outcomes obtained from each investigation technique had compared each other in order to outline a detailed conceptual hydrogeological model which has been updated step by step following the post-seismic phases to provide to the public and private drinking companies operating in the area, a tool for the correct and sustainable groundwater management operations.

La comprensione dei processi di ricarica, di movimento e di immagazzinamento delle acque sotterranee negli acquiferi carbonatici rappresenta una grande sfida per l’idrogeologia. Infatti, questi acquiferi sono ospitati in formazioni geologiche caratterizzate da forti eterogeneità e anisotropie che si possono ripercuotere nelle caratteristiche idrodinamiche del sistema. Questa comprensione diventa tanto più complicata quando si trattano acquiferi ricadenti in aree montuose, ove la complessità geologico-strutturale si unisce a una grande eterogeneità topografica. Quest’ultima può influenzare il regime pluviometrico in maniera significativa, ed inoltre le quote elevate sono spesso caratterizzate dalla presenza del manto nevoso che apporta un contributo non trascurabile ai processi di ricarica degli acquiferi. In questo contesto, è stato dimostrato che i terremoti ad elevata magnitudo possono cambiare il comportamento idrodinamico delle sorgenti mostrando variazioni transitorie o di lunga durata, rendendo la gestione della risorsa idrica molto impegnativa. Questo è il caso di una ampia zona Appenninica dell’Italia centrale, quella interessata da una intensa sequenza sismica tra agosto 2016 e gennaio 2017, caratterizzata da nove eventi di Mw ≥ 5.0 di cui il più forte di Mw = 6.5 con epicentro ubicato all’interno dell’area di studio. Questa ricerca incrementa notevolmente le conoscenze idrogeologiche ed idrodinamiche relative alla circolazione delle acque sotterranee negli acquiferi carbonatici, approfondendo i possibili cambiamenti delle caratteristiche qualitative e quantitative del flusso idrico sotterraneo, durante e dopo una serie di forti eventi sismici. È stato utilizzato un approccio olistico combinato coinvolgente diverse discipline e tecniche, a partire da un'indagine idrogeologica più tradizionale basata sull'applicazione del bilancio idrologico e sull'analisi degli idrogrammi delle portate sorgentizie, validata mediante i risultati di numerosi test con traccianti artificiali, e analisi geochimiche ed isotopiche. Durante le indagini è stato effettuato un rilevamento idrogeostrutturale di dettaglio, integrato con un'analisi basata su sistemi geografici informativi, finalizzato sia alla identificazione delle strutture geologiche principali responsabili del cambiamento del flusso idrico sotterraneo, sia alla caratterizzazione delle varie idrostrutture presenti nell'area in studio e dei rapporti tra esse. I risultati confermano la complessità geologico-strutturale di questa area e la ripercussione sull'assetto idrogeologico, evidenziando in particolare il ruolo che le faglie, ad estensione sia regionale che locale, giocano nelle modificazioni del flusso di acque sotterranee. Le evidenze ottenute da ciascuna tecnica di indagine sono state confrontate tra loro per delineare un modello idrogeologico concettuale indispensabile per la corretta e sostenibile gestione della risorsa idrica sotterranea.