Acqua nel Deserto Egiziano: Viaggio tra Isotopi, IA e Segreti Nascosti Sottoterra

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel cuore del Deserto Orientale egiziano, un luogo iper-arido dove l’acqua sotterranea non è solo preziosa, è letteralmente vita. Pensateci: senza di essa, niente agricoltura, niente usi domestici. Eppure, capire da dove viene quest’acqua, come si muove e quanto è buona da usare è un vero rompicapo. Perché? Beh, la geologia lì è complicatissima, i dati scarseggiano e le analisi più precise, come quelle isotopiche, costano un occhio della testa.

Ma noi non ci siamo arresi! Abbiamo deciso di affrontare queste sfide mettendo insieme un arsenale di tecniche all’avanguardia:

• Analisi degli isotopi stabili dell’acqua (i famosi δ¹⁸O e δ²H, delle vere “impronte digitali” dell’acqua).
• Studio dei parametri idrogeochimici (la “carta d’identità” chimica dell’acqua).
• Utilizzo del telerilevamento (i nostri occhi dal cielo, grazie ai satelliti).
• E, tenetevi forte, l’impiego dell’Intelligenza Artificiale (IA) spiegabile. Sì, avete capito bene, un’IA che non solo fa previsioni, ma ci spiega anche *come* ci arriva!

L’obiettivo? Svelare i misteri delle acque sotterranee per gestirle in modo sostenibile.

Le Nostre Indagini sul Campo (e in Laboratorio)

Ci siamo concentrati su tre principali “serbatoi” d’acqua sotterranea, chiamati acquiferi: quello quaternario alluvionale (più superficiale), quello Nubiano (arenaria profonda) e quello del basamento cristallino fratturato (rocce antichissime con crepe). Abbiamo raccolto 34 campioni d’acqua da questi acquiferi, sparsi in un’area vastissima di circa 8.000 km quadrati tra Idfu ed Esna.

Analizzando la chimica e le “impronte” isotopiche, abbiamo iniziato a distinguere l’acqua di origine meteorica recente (pioggia infiltrata) da quella “paleo”, acqua antichissima intrappolata nel sottosuolo da millenni. È emerso un quadro complesso di mescolamento e processi di ricarica. Una scoperta chiave è che l’acquifero Quaternario sembra ricevere “aiuto” dall’acquifero Nubiano sottostante, con l’acqua che risale attraverso profonde faglie geologiche. Sembra quasi una collaborazione nascosta tra giganti sotterranei!

Però, c’è un campanello d’allarme: tra il 2014 e il 2021, abbiamo misurato un abbassamento del livello dell’acqua nell’acquifero Quaternario fino a 14 metri! Questo calo è dovuto principalmente all’eccessivo pompaggio, soprattutto nelle zone agricole. È un segnale chiaro che dobbiamo gestire questa risorsa con più attenzione.

La Magia dell’Intelligenza Artificiale Spiegabile

Qui entra in gioco la parte più innovativa del nostro lavoro. Le analisi isotopiche, come dicevo, sono costose. E se potessimo stimare i valori isotopici usando dati più facilmente ottenibili, come quelli chimici? Abbiamo sviluppato un modello di Machine Learning, specificamente un Support Vector Machine (SVM), addestrandolo a prevedere i valori di δ¹⁸O basandosi su diversi indicatori idrochimici (come pH, conducibilità elettrica, concentrazioni di ioni come calcio, magnesio, cloruri, solfati, bicarbonati…).

I risultati sono stati sorprendenti! Il nostro modello ha raggiunto un’accuratezza notevole (un R² di 0.92, che in gergo significa che spiega il 92% della variabilità, e un errore quadratico medio MSE basso, pari a 2.89). Ma non ci siamo fermati qui. Abbiamo usato una tecnica chiamata SHAP (SHapley Additive exPlanations). Pensatela come una lente d’ingrandimento che ci permette di capire *quali* parametri chimici influenzano di più le variazioni isotopiche. SHAP ci ha rivelato che ioni come il Magnesio (Mg²⁺), i Bicarbonati (HCO₃⁻) e i Solfati (SO₄²⁻) sono i principali “protagonisti” che determinano le “impronte” isotopiche dell’ossigeno.

Questa è una delle prime volte che un’IA “spiegabile” viene usata in questo modo in idrogeologia in Egitto, e forse anche a livello globale per questo specifico problema. È uno strumento potentissimo: ci offre un modo scalabile e più economico per valutare i sistemi di acque sotterranee in regioni aride come questa.

Origine e Qualità: Cosa Ci Dice l’Acqua?

Abbiamo usato diagrammi specifici (come il diagramma di Piper) e rapporti tra ioni per capire meglio la “storia” chimica dell’acqua. Ad esempio, nell’acquifero Nubiano, molte acque mostrano segni di interazione con sali terrestri e marini, indicando un’origine meteorica che ha poi “lavato” le rocce circostanti. Nell’acquifero Quaternario, la situazione è più varia: alcune acque assomigliano a quelle Nubiane (conferma della risalita!), altre mostrano una chiara influenza delle acque superficiali (probabilmente dal Nilo e dai canali d’irrigazione), altre ancora sembrano influenzate dall’evaporazione, un processo dominante in climi così aridi (confermato anche dai diagrammi di Gibbs).

Abbiamo anche analizzato i “sali ipotetici”, cioè i sali che si formerebbero se l’acqua evaporasse completamente. Questo ci ha dato un’idea dello stadio evolutivo dell’acqua. Le acque Nubiane sembrano più “evolute”, ricche di cloruri e solfati, mentre quelle Quaternarie mostrano stadi diversi, da quelle più “giovani” (ricche di carbonati, simili all’acqua del Nilo) a quelle intermedie.

E la qualità? Purtroppo, non sempre buona. Per l’uso potabile, molti campioni superano i limiti raccomandati dall’Organizzazione Mondiale della Sanità per TDS (sali totali disciolti), calcio, magnesio, sodio, potassio, solfati e cloruri. Per l’irrigazione, abbiamo valutato il rischio di salinità (EC) e il rischio legato al sodio (SAR). La maggior parte delle acque presenta un rischio di salinità molto alto (classi C3 e C4 nel diagramma USSLS), rendendole problematiche per l’agricoltura senza adeguate pratiche di gestione. Solo un campione è risultato “buono”. Questo sottolinea l’importanza di non guardare solo alla quantità, ma anche alla qualità dell’acqua.

Vegetazione, Livelli Idrici e Sostenibilità

Grazie alle immagini satellitari (usando l’indice NDVI, che misura la “verdità” della vegetazione), abbiamo osservato un’espansione delle aree coltivate di circa 2.000 acri tra il 2014 e il 2021 nell’area di Wadi El-Dir (dove si trova l’acquifero Quaternario). Ma, come abbiamo visto, questo è coinciso con il preoccupante calo dei livelli idrici. È un classico esempio di come uno sviluppo non ben pianificato possa mettere a rischio la risorsa stessa su cui si basa. Le cause? Poche piogge, ricarica lenta e, soprattutto, troppo prelievo, spesso con metodi irrigui poco efficienti come l’irrigazione a scorrimento.

Le strutture geologiche, come faglie e fratture, giocano un ruolo cruciale, agendo come “autostrade” per l’acqua sotterranea. Il nostro modello concettuale mostra come l’acqua del Nilo, le piogge (poche) e l’acqua Nubiana (risalita tramite faglie) contribuiscano all’acquifero Quaternario.

Cosa significa tutto questo per il futuro? Che dobbiamo essere più intelligenti nella gestione dell’acqua. Non basta sapere che c’è acqua, dobbiamo capire quanta possiamo prelevarne in modo sostenibile. I nostri risultati suggeriscono che le aree medio-basse del bacino di Wadi Abadi (dove c’è l’acquifero Nubiano) potrebbero essere più promettenti e sostenibili per futuri sviluppi rispetto alle aree medio-alte di Wadi El-Dir.

Limiti e Prossimi Passi

Siamo entusiasti dei risultati, ma siamo anche consapevoli dei limiti. Il nostro dataset, sebbene prezioso, non è enorme, e alcuni acquiferi (come quello del Basamento) sono meno rappresentati. Questo rende le nostre conclusioni sull’IA ancora preliminari. Inoltre, prevedere l’altro isotopo, l’idrogeno (δ²H), con l’IA si è rivelato più difficile, probabilmente a causa della sua maggiore variabilità e della complessità dei fattori che lo influenzano.

Ma non ci fermiamo! Il prossimo passo è raccogliere più dati, creare un dataset più ampio e bilanciato, e magari esplorare tecniche di IA ancora più avanzate, come il deep learning. Vogliamo migliorare l’accuratezza delle previsioni, soprattutto per l’idrogeno, e rendere il nostro modello uno strumento ancora più robusto e affidabile.

Un Contributo per il Futuro

Questo studio, integrando tecniche tradizionali e innovazioni come l’IA spiegabile, rappresenta un passo avanti significativo nella comprensione delle acque sotterranee in ambienti aridi. Non è solo ricerca accademica: i nostri risultati hanno implicazioni dirette per la gestione delle risorse idriche in Egitto, contribuendo agli obiettivi nazionali di sicurezza idrica e allineandosi con l’Obiettivo di Sviluppo Sostenibile 6 (SDG 6) delle Nazioni Unite: acqua pulita e servizi igienico-sanitari per tutti.

Offrendo un approccio più economico ed efficiente per analizzare sistemi complessi, speriamo che le metodologie sviluppate qui possano essere utili anche in altre regioni aride e semi-aride del mondo, aiutandoci a gestire al meglio una delle risorse più preziose del nostro pianeta. Il deserto nasconde ancora tanti segreti, ma con gli strumenti giusti, possiamo iniziare a svelarli, un sorso d’acqua alla volta.

Fonte: Springer