The effects of aquifer recharge and river-groundwater interaction on contaminants migration in alluvial aquifers: the test sites of Goito and Parma aquifer (northern Italy)

Abstract

La Pianura Padana (Nord Italia) è uno degli acquiferi più grandi d’Europa. In quest’area sono presenti svariate pressioni antropiche in grado di alterare la qualità e la quantità della falda. In due siti sperimentali di questo acquifero alluvionale, sono stati investigati gli effetti della ricarica degli acquiferi e dell’interazione fiume-falda sulla migrazione dei contaminanti. Nel primo sito, l’acquifero di Goito, la ricarica data dall’irrigazione a scorrimento e dalle abbondanti precipitazioni promuove la percolazione di acque ricche di nitrato (NO3-). Di conseguenza, la falda risulta contaminata da questo ione, con concentrazioni che possono anche superare la soglia dei 50 mg NO3- L-1. In questa area, il Fiume Mincio si configura come un sistema flow-through. In altre parole, esso drena la falda in destra idrografica e la alimenta in sinistra idrografica per tutto l’anno idrologico. Di conseguenza, nei periodi di picco della contaminazione in falda, le acque superficiali mostrano un generico aumento delle concentrazioni e carichi di NO3-. La migrazione del NO3- dal suolo agricolo al Fiume Mincio è stata poi indagata utilizzando la silice (SiO2) come tracciante del NO3-. Essi, infatti, si originano a partire dai liquami zootecnici applicati nei campi agricoli, ma la SiO2 è molto meno reattiva dell’NO3-. Dal 2020 sono stati reintrodotti i limiti sulla fertilizzazione imposti dalla Direttiva Nitrati e, durante il triennio di dottorato, è stato possibile valutarne gli effetti, comparando dati di acque superficiali e sotterranee durante un periodo di fertilizzazione nel 2019 (prima) e nel 2020 (dopo l’applicazione della direttiva). I risultati evidenziano come, nel 2021, l’acquifero freatico presenti ancora elevate concentrazioni di NO3-, maggiori anche del limite di 50 mg NO3- L-1; ciononostante, i valori medi sono minori rispetto al 2019. I carichi di NO3- nel Fiume Mincio hanno raggiunto i 6670 kg NO3- d-1; essi sono espressione della sovrabbondante fertilizzazione nell’area circostante ed il rapido trasferimento di azoto dal terreno alle acque superficiali. Rispetto al 2019, i carichi nel Fiume Mincio si sono comunque ridotti del 59%, dimostrando come la reintroduzione di limiti sulla fertilizzazione porti, negli acquiferi alluvionali, a risultati quantificabili anche nel breve termine. Nell’altro sito sperimentale, l’acquifero di Parma, la ricerca è stata incentrata sugli effetti della ricarica degli acquiferi e dell’interazione fiume-falda sulla migrazione di microplastiche. Lo studio è stato portato avanti con due obiettivi principali. In primis, la formulazione di un protocollo di analisi e campionamento basato sulle caratteristiche idrogeologiche dell’area di studio e con un alto rapporto risultati : costi. Le microplastiche sono state estratte dai campioni tramite filtrazioni e rigalleggiamento; successivamente sono state conteggiate e caratterizzate morfologicamente (area, circolarità e diametro di Feret) attraverso un metodo di colorazione e analisi automatica al microscopio. Il secondo obbiettivo è stato quello di applicare questo metodo e verificare la presenza di microplastiche in alcune porzioni dell’acquifero alluvionale con corsi d’acqua alimentanti la falda, sia prima che dopo un evento di ricarica dell’acquifero. Le microplastiche in falda mostravano una maggiore circolarità di quelle nelle acque superficiali, mentre l’area ed il diametro di Feret erano simili, suggerendo che in acquiferi porosi (ghiaie e sabbie) il trasporto di microplastiche sia più influenzato dalla forma che dalle dimensioni delle stesse. Infine, è stato visto come la ricarica dell’acquifero promuova la migrazione di microplastiche di minori dimensioni e con una forma più circolare. La ricerca perpetrata durante il dottorato ed i conseguenti risultati hanno dimostrato come un approccio multidisciplinare e l’utilizzo di varie metodologie debba essere una componente chiave nella concettualizzazione e perpetuazione della ricerca.

The Po Plain (northern Italy) is one of the largest aquifers in Europe. Here, different anthropic pressures can affect groundwater quality and quantity. In two test sites of this alluvial aquifer, the effects of aquifer recharge and river-groundwater interaction on contaminants migration were characterised. In the first investigated site, the Goito aquifer, the aquifer recharge given by flooding irrigation and abundant precipitation, promotes the percolation of nitrate-rich (NO3-) water. As a result, the groundwater is contaminated by NO3-, with concentrations above the threshold of 50 mg NO3- L-1. In the area, the Mincio River is a flow-through system, constantly gaining groundwater on the right bank during all the hydrological year. Consequently, during the contamination peaks in groundwater, in the investigated area the NO3- concentration in surface water raise significantly and cause high NO3- loads in the Mincio River. The migration of NO3- from soil to the Mincio River was characterised using silica (SiO2) as tracer of NO3- contamination, since both originates in manure but SiO2 is less reactive than NO3-. From 2020, the Nitrate Directive’s fertilization limit was reintroduced in this area and a comparison has been performed comparing surface- and groundwater data from the 2019 fertilization period (before limit reintroduction) and 2020 (after). Results suggest that in 2021 the phreatic aquifer displayed elevated nitrate (NO3-) concentrations, exceeding 50 mg NO3- L-1, although average values were lower than those of 2019. Nitrate loads in the Mincio River reached 6670 kg NO3- d-1 and resulted from the overfertilization in the surrounding area and the quick transfer of nitrogen from groundwater to the river. Compared to 2019, the river loads decreased by 59%, suggesting that the introduction of fertilization limits can produce measurable, short-term responses in alluvial aquifers. In the other test site, the Parma aquifer, the investigations regarded the effects of aquifer recharge and river-groundwater interaction on migration of microplastics. Here, the research was carried out with two aims. The first aim is the formulation of a method of operation based on the hydrogeological aspects of the investigated area and characterised by a high result : cost ratio. Microplastics were extracted from samples through filtration and flotation methods, and successively counted and characterized morphologically (area, circularity, and Feret diameter) through staining and automated microscopy analysis. The second aim is to apply this methodology and investigate the microplastics presence in some portions of an alluvial aquifer with losing rivers, before and after a recharge event. Microplastics in groundwater had a higher circularity than those in surface water, but similar area and Feret diameter, pointing out that in porous (mainly gravels) aquifers the transport is more influenced by the shape than the size of microplastics. The recharge promotes the migration of smaller microplastics with a more rounded shape. The research carried out and the results obtained during this PhD highlight that, together with different methodologies, multidisciplinary approaches must be a key component of the research conceptualization from the start.