[en] The characterization of evaporitic aquifers for a better understanding of hydrodynamics and geochemical processes is of great importance, especially in environments where both the sustainability of unique ecosystems and the economic interests depend on aquifer features. This is the case of the Salar de Atacama (SdA) evaporitic nucleus, the "driving force" of this thesis, which prompt us to pursue two main objectives. First, characterizing the hydraulic behavior of the SdA nucleus, with special attention for the identification of highly connected structures (preferential flow-paths). Second, enriching the knowledge on preferential flow-paths development caused by dissolution processes (i.e. wormholes dynamics) and the corresponding changes in flow and transport behaviour. As a first step, we focused on the interpretation of hydraulic tests for aquifer characterization. Agarwal's method for recovery test interpretation was selected as suitable for analyzing the SdA aquifer response to imposed stresses for hydraulic properties estimation. Thus, we verified the method under ideal and non-ideal condition and we exposed its limitations. The latter were overcome by modifying the existing methodology and proposing an improved equivalent time to deal with variable pumping rates. At the same time we carried out a long-lasting cross-hole hydraulic test in the SdA nucleus. The complexity of system dynamics highlighted the need of seeking for a different methodology for aquifer characterization. We ended up developing a new filtering-corrective method through which aquifer characterization was carried out. The method involves estimating drawdowns, corrected from eventual systematic and structural errors, to be used as observations while automatically calibrating a groundwater model. Once validated the new method, we applied it, jointly with the stochastic inversion, to characterize the SdA nucleus in terms of spatial variability of the hydraulic conductivity at a large scale, with special attention for identifying connectivity structures. Results showed that these structures actually govern flow dynamics at large scale. Their identification was supported by independent information, which was used to verify the consistency of the results, thus the capability of the stochastic inversion in defining preferential flow-paths at large scale. Finally, we moved to an intermediate-scale analysis, carrying out a laboratory experiment under controlled conditions. We ran a dissolution experiment, jointly with several tracer tests, to study the evolution of a dissolution pattern characterized by dominant wormholes. We analyzed the evolution of wormhole dynamics, with special attention for wormholes growth, changes in hydraulic properties, geometry and competition for the flow. Furthermore, by interpreting the tracer tests we were able to quantify the effect that these structures have on the hydraulic and transport behavior. For that, we applied the multi-advection dispersion model, considering two modelling approaches: by fitting the measured BTCs with effective transport parameters and by predicting the BTCs evolution through a discrete wormhole modelling approach, applied knowing the geometry of the system and transport parameters of the undissolved matrix. Both approaches are capable of reproducing the experimental data, highlighting the ability to characterize the system. Results also demonstrate the high predictive power of the discrete wormhole model.

[it] La caratterizzazione degli acquiferi evaporitici, atta a comprendere meglio i processi idrodinamici e geochimici, è di grande importanza, soprattutto in ambienti in cui sia la sostenibilità di ecosistemi unici sia gli interessi economici dipendono dalle caratteristiche dell'acquifero. È il caso del nucleo evaporitico del Salar de Atacama (SdA), il "motore" di questa tesi, che ci spinge a perseguire due obiettivi principali. In primo luogo, caratterizzare il comportamento idraulico del nucleo del SdA, con particolare attenzione all'identificazione di strutture altamente connesse (percorsi di flusso preferenziali). In secondo luogo, arricchire la conoscenza sullo sviluppo di zone di flusso preferenziale dovuto ai processi di dissoluzione (in altre parole, le dinamiche dei wormholes) e sui relativi cambiamenti nel comportamento di flusso e trasporto. Per caratterizzare una falda acquifera solitamente vengono eseguite prove di pompaggio, con lo scopo di comprendere il modello concettuale del sistema, attraverso grafici diagnostici, e stimarne le proprietà idrauliche. Tra le varie prove, le prove di recupero consistono nel misurare le variazioni del livello piezometrico nei pozzi di pompaggio e/o monitoraggio una volta completata la prova di pompaggio. Questi test sono particolarmente utili quando la portata non può essere controllata con precisione. Agarwal ha proposto un metodo, diventato standard nell'industria petrolifera, per ottenere la risposta dell'acquifero al pompaggio a partire dai dati di recupero. Tuttavia, il metodo è stato testato e verificato in misura limitata. Nel secondo capitolo di questa tesi analizziamo il metodo di Agarwal per comprenderne i limiti e superarli. I risultati ottenuti mostrano che il metodo di Agarwal fornisce eccellenti grafici di recupero (ovvero la curva di abbassamento che si otterrebbe durante il pompaggio) e buone stime dei parametri idraulici per quasi tutte le condizioni dell'acquifero, a condizione che venga utilizzata una portata costante e che la derivata logaritmica alla fine del periodo di pompaggio sia costante. Queste condizioni sono troppo limitanti per l'applicazione nell'idrologia delle acque sotterranee, dove spesso vengono monitorati i pozzi di osservazione. Si generalizza quindi il metodo di Agarwal (1) derivando un tempo equivalente per portate che variano nel tempo e (2) proponendo di ottenere le curve di abbassamento dal recupero, estrapolando l'abbassamento della fase di pompaggio. In questo modo si ottengono ottimi grafici diagnostici che facilitano l'analisi del modello concettuale e consentono di applicare il metodo per un'ampia gamma di condizioni. Tuttavia, è difficile eseguire l'interpretazione dei test idraulici, basata sull'analisi dei dati di abbassamento, per caratterizzare grandi sistemi acquiferi con dinamiche di flusso complesse (ad esempio, nel caso in cui siano presenti grandi campi di pozzi in pompaggio). In questo caso, la caratterizzazione viene generalmente ottenuta attraverso la modellazione delle acque sotterranee. Pertanto, dal primo studio estraiamo il concetto secondo cui l'abbassamento causato dallo stress idraulico fornisce informazioni cruciali per caratterizzare un acquifero, e lo proiettiamo nel campo della modellazione delle acque sotterranee.Infatti, considerare l'abbassamento in fase di modellazione sarebbe molto più semplice rispetto all'utilizzo del livello piezometrico, in quanto le condizioni al contorno e iniziali da considerare sono omogenee (zero). Il problema sta nel fatto che gli abbassamenti non vengono misurati direttamente, ma si derivano dalle misure della variazione del livello della falda. Gli abbassamenti che ne derivano possono subire imprecisioni persistenti in sistemi complessi con perturbazioni esterne prolungate e incerte. In altre parole, la stima degli abbassamenti viene influenzata non solo da errori nelle misure della piezometria, ma anche dalle stime dell'evoluzione naturale della falda acquifera (cioè il livello che ci sarebbe stato se il test di pompaggio non fosse stato effettuato) . Ciò rende difficile utilizzare gli abbassamenti nei modelli di flusso e costringe i modellatori a utilizzare i livelli piezometrici e informazioni difficili da quantificare. Nel terzo capitolo del presente studio presentiamo un metodo per filtrare gli errori sistematici nei dati di abbassamento (stimati) durante la calibrazione automatica di un modello di flusso. Per fare ciò, introduciamo un termine di correzione della distorsione (bias) in un problema inverso composto che combina un modello dei livelli naturali con un modello degli abbassamenti. Dato che questi due modelli condividono gli stessi parametri, viene sviluppato un algoritmo iterativo di ottimizzazione in due fasi per stimare congiuntamente il bias, le tendenze naturali e i parametri idraulici. Il metodo viene presentato attarverso un esempio sintetico in un acquifero eterogeneo. L'esempio mostra che il metodo converge alla migliore stima condizionale anche quando i dati dei livelli piezometrici sono fortemente distorti. Inoltre, nello stesso esempio, mostriamo che l'utilizzo di dati di piezometria distorti nell'applicazione del problema inverso tradizionale può fornire buoni fittings, ma in questo caso il bias porta a una stima errata del campo di trasmissività. Nel quarto capitolo applichiamo il metodo presentato nel capitolo precedente, insieme all'inversione stocastica, nel nucleo del SdA. Si vuole caratterizzare la distribuzione spaziale della conducibilità idraulica su larga scala, con particolare attenzione per l'individuazione di strutture di connettività (canali altamente conduttivi) che controllano il flusso delle acque sotterranee e il trasporto degli inquinanti. Negli acquiferi evaporitici, questi canali preferenziali possono essere costituiti da condotti carsici, sviluppati a diverse scale, nonché da zone di faglia. In questo contesto si è indagato se sia possibile utilizzare l'inversione stocastica per caratterizzare la presenza di strutture di connettività nell'acquifero evaporitico del SdA (un area ampia, circa 1500 km2) utilizzando i livelli piezometrici misurati in numerosi punti di osservazione durante una sequenza di tre prove idrauliche. I risultati mostrano che, sebbene la soluzione non sia univoca, vengono individuate le principali zone di flusso preferenziale. Gli abbassamenti calcolati a partire da diverse simulazioni risultano essere simili agli abbassamenti osservati, con errori massimi di pochi centimetri. Il flusso preferenziale viene individuato non solo a partire da regioni allungate di alta permeabilità, ma anche da un marcato effetto scala (le trasmissività del modello sono circa 30 volte maggiori di quelle stimate attraverso prove di pompaggio corte). Le principali zone di alta conducibilità sono coerenti con informazioni indipendenti basate su geofisica, isotopi, proporzioni di miscelazione, dati piezometrici e processi di dissoluzione previsti. Infine, per comprendere meglio le dinamiche di sviluppo di questi percorsi di flusso preferenziali e i loro effetti sul comportamento di flusso e trasporto, eseguiamoo un esperimento di dissoluzione in condizioni controllate. Passiamo a un'analisi su scala intermedia poiché le strutture di connettività organizzate (wormholes) possono svilupparsi su scale spaziali e temporali diverse. Grazie a studi precedenti, conosciamo le condizioni ottimali in cui queste strutture possono formarsi, ma la loro evoluzione spazio-temporale, così come la ridistribuzione del flusso tra i canali e le variazioni nei processi di trasporto, sono in gran parte sconosciute. Pertanto, eseguiamo un esperimento di dissoluzione in un acquifero evaporitico sintetico, insieme a diverse prove di tracciante, per studiare l'evoluzione di una struttura di dissoluzione caratterizzata da wormholes dominanti. Analizziamo l'evoluzione della dinamica dei wormholes, con particolare attenzione per la loro crescita, i cambiamenti nelle proprietà idrauliche del sistema, la loro geometria e la competizione per il flusso. Osserviamo come il flusso viene ridistribuito con lo sviluppo dei wormholes, così come alcune evidenze dei fattori scatenanti e amplificatori che intervengono nel meccanismo di auto-organizzazione che porta a queste strutture di dissoluzione. Inoltre, interpretando le curve di arrivo delle prove di tracciante, possiamo quantificare l'effetto che queste strutture hanno sul comportamento idraulico e di trasporto. Per questo, applichiamo il modello di avvezione multipla e dispersione, considerando due diversi approcci: adattando le curve di arrivo misurate con i parametri di trasporto effettivi del sistema e prevedendo l'evoluzione della curva di arrivo attraverso un modello discreto dei wormholes, che viene applicato conoscendo la geometria del sistema e i parametri di trasporto della matrice indisciolta. Entrambi gli approcci sono in grado di riprodurre i dati sperimentali, evidenziando la capacità di caratterizzare il sistema. I risultati dimostrano anche l'elevato potere predittivo del modello discreto dei wormholes.