Groundwater freshening following coastal progradation and land reclamation of the Po Plain, Italy

Abstract

Many coastal areas historically were inundated by seawater, but have since undergone land reclamation to enable settlements and farming. This study focuses on the coastal unconfined aquifer in the Po Plain near Ravenna, Italy. Freshwater is present as isolated thin (1–5 m) lenses on top of brackish to saline water. Historical maps show large areas of sea inundation until approximately 150–200 years ago when coastal progradation and construction of the drainage canals began. Since then, the aquifer has been freshening from recharge. A three-dimensional SEAWAT model is used to simulate a 200-year freshening history, starting with a model domain that is saturated with seawater, and applying recharge across the top model layer. Calibration to the observed concentrations for discrete depths within many monitoring wells is remarkably good. The current distribution of freshwater is largely controlled by the drainage network. Within and adjacent to the drains, the groundwater has high salinity due to up-coning of salt water. Between drains, the surface layers of the aquifer are fresh due to the flushing action of recharge. The modeling results are consistent with cation exchange processes revealed in the groundwater chemistry and with freshwater lenses identified in electrical resistivity soundings.

Résumé

Many coastal areas historically were inundated by seawater, but have since undergone land reclamation to enable settlements and farming. De nombreuses zones côtières ont été historiquement inondées par les eaux marines, mais ont depuis laissé place à la réhabilitation des terres pour favoriser l’implantation des habitants et l’agriculture. Cette étude concerne l’aquifère côtier libre dans la plaine du Pô près de Ravenne en Italie. L’eau douce est présente sous forme de lentilles peu épaisses (1–5 m) surmontant l’eau saumâtre à saline. Des cartes historiques montrent de grandes zones d’inondation par la mer jusqu’il y a environ 150 à 200 ans lorsque la progradation côtière et la construction de canaux de drainage ont débuté. Depuis lors, l’aquifère a été radouci par la recharge. Un modèle tri dimensionnel SEAWAT est utilisé pour simuler le rafraîchissement au cours des 200 dernières années, débutant par un domaine du modèle saturé en eau salée et en appliquant une recharge au niveau de la couche supérieure du modèle. La calibration par rapport aux concentrations observées en des profondeurs données parmi des puits d’observation est d’une qualité remarquable. La distribution actuelle de l’eau douce est grandement contrôlée par le réseau de drainage. A l’intérieur et à proximité des drains, l’eau souterraine est caractérisée par une salinité élevée à cause d’un effet de cône ascendant des eaux salées. Entre les drains, les couches superficielles de l’aquifères sont caractérisées par la présence d’eau douce à cause de l’action de rinçage par la recharge. Les résultats de la modélisation sont en accord avec les processus d’échange des cations révélée par la chimie des eaux souterraines et au sein des lentilles d’eau douce identifiées à l’aide de sondages de résistivité.

Resumen

Muchas áreas costeras fueron históricamente inundadas por el agua de mar, pero han experimentado desde entonces la recuperación de tierras para permitir los asentamientos y las actividades agrícolas. Este estudio se centra en el acuífero no confinado costero en la llanura del Po, cerca de Ravena, Italia. El agua dulce está presente como delgadas lentes aisladas (1–5 m) por encima de agua salada o salobre. Los mapas históricos muestran grandes áreas de inundación del mar hasta aproximadamente 150–200 años atrás cuando comenzó la progradación costera y la construcción de canales. Desde entonces, el acuífero se ha convertido en dulce a partir de la recarga. Se usa el modelo SEAWAT tridimensional para simular el curso de conversión en agua dulce a lo largo de unos 200 años de historia, comenzando con un dominio del modelo que está saturado con agua de mar, y aplicando la recarga a través de la parte superior de la capa del modelo. La calibración para las concentraciones observadas para profundidades discretas dentro de muchos pozos de monitoreo es marcadamente buena. La distribución actual de agua dulce está en gran medida controlada por la red de drenaje. Dentro y en las adyacencias de los drenajes, el agua subterránea tiene alta salinidad debido al ingreso de agua salada. Entre los drenajes, las capas superficiales del acuífero son dulces debido a la acción de lavado de la recarga. Los resultados del modelo son consistentes con los procesos de intercambio de cationes revelados en la química del agua subterránea y con los lentes de agua dulce identificados en sondeos de resistividad eléctrica.

摘要

许多沿海地区历史上曾经被海水淹没,但随后经历了土地开垦,使居住和耕作成为可能。本项研究着重于意大利拉文纳附近Po平原的沿海非承压含水层。淡水在微咸至咸水上面以独立的薄层(1–5米)透镜体形式出现。历史地图显示,在沿海外伸作用和排水渠道建设开始大约150–200年前,大片区域被海水淹没。此后,含水层通过补给开始淡化。采用三维SEAWAT模型模拟200年的淡化历史,从充满海水的模型域开始,并使补给穿过模型顶层。对许多监测井内的各种深度观测的关注点校准非常好。目前淡水分布主要受控于排水网络。在排水渠之内及附近,由于咸水上涌,地下水含盐量很大。排水渠之间,由于补给冲洗作用,含水层表层为淡水。模拟结果与地下水化学揭示的阳离子交换过程及与电阻率勘探确定的淡水透镜体一致。

Riassunto

In tempi storici, molte zone costiere sono state prima inondate dal mare e poi bonificate per permetterne l’insediamento e le pratiche agricole. Questo studio si focalizza sull’acquifero freatico costiero della Pianura Padana vicino a Ravenna (Italia) ove l’acqua dolce è presente solo in piccole e isolate lenti sottili (1–5 m) che galleggiano su acque salmastre e salate. Mappe storiche della zona mostrano che ampie zone di questo territorio sono state sommerse dal mare fino a 150–200 anni fa quando cominciò un periodo di pro gradazione costiera e la costruzione del reticolo dei canali di bonifica. Da allora, l’acquifero è andato addolcendosi grazie alla ricarica di acqua piovana. Un modello SEAWAT tridimensionale è stato usato per simulare i 200 anni del periodo di addolcimento a partire da un acquifero inizialmente saturo in acqua marina e applicando una ricarica al livello superiore del modello. La calibrazione con le concentrazioni saline osservate in numerosi piezometri e a profondità diverse dell’acquifero è molto buona. La distribuzione attuale dell’acqua dolce è essenzialmente controllata dalla rete dei canali di drenaggio. Nei canali e nelle zone a loro adiacenti, l’acqua è molto salina a causa della risalita di acque salate profonde. Grazie all’infiltrazione di pioggia, l’acqua dolce è situata fra un dreno e l’altro nella parte più superficiale dell’acquifero. I risultati della modellazione numerica sono consistenti con processi di scambio cationico rilevati da analisi idrochimiche e con la distribuzione delle lenti d’acqua dolce individuate da indagini geo-elettriche.

Resumo

Muitas áreas costeiras são historicamente inundadas pela água do mar, mas estas áreas têm passado por recuperação de terras para possibilitar a instalação de assentamentos e agricultura. Este estudo foca no aquífero costeiro não confinado na Planície do Pó próximo a Ravena, Itália. A água doce se apresenta em finas lâminas isoladas (1–5 m) no topo da região salobra para água salgada. Mapas históricos mostram grandes áreas de inundação até a aproximadamente 150–200 anos atrás quando o avanço costeiro e a construção de canais de drenagem começaram. Desde então, o aquífero vem sendo dulcificado a partir da recarga. Um modelo tridimensional SEAWAT é utilizado para simular um histórico de 200 anos de dulcificação, começando com um domínio do modelo que é saturado com água do mar e aplicando a recarga através da camada superior do modelo. Calibração para as concentrações observadas para profundidades discretas com os muitos poços de monitoramento foi notavelmente boa. A distribuição atual da água doce é amplamente controlada pela rede de drenagem. Dentro e adjacente aos drenos, as águas subterrâneas possuem alta salinidade pela entrada de água salgada. Entre os drenos, as camadas superficiais do aquífero possuem água doce pela ação de lavagem da recarga. Os resultados da modelagem são consistentes com os processos de troca catiônica revelados na química da água subterrânea e com as lâminas de água doce identificadas nas sondagens de resistividade elétrica.