Studio delle procedure di campionamento delle acque sotterranee attraverso il sistema a basso flusso “Low-Flow”
Indice:
– Definizione di spurgo e campionamento low-flow
– Spurgo e campionamento low-flow
– Parametri indicatori della qualità delle acque
– Vantaggi e svantaggi dello spurgo low-flow (minimo abbassamento)
– Raccomandazioni per il campionamento
– Calibrazione dell’equipaggiamento
– Misura del livello dell’acqua e monitoraggio
– Tipo di pompa
– Installazione della pompa
– Filtrazione
Definizione di spurgo e campionamento low-flow
E’ universalmente accettato che l’acqua contenuta nel corpo del pozzo non rappresenti l’acqua di formazione, e che sia necessario spurgarla prima di procedere al campionamento. Nondimeno, l’acqua nella sezione finestrata potrebbe essere rappresentativa della formazione, in funzione delle caratteristiche costruttive del pozzo e di quelle idrogeologiche del sito. I pozzi vengono spurgati in certa misura per le vari motivi: la presenza dell’aria in testa alla colonna d’acqua che porta ad un gradiente di concentrazione dell’aria disciolta in funzione della profondità, la perdita di sostanze volatili dalla testa della colonna assorbimenti o le perdite di sostanze dal corpo del pozzo o dal fascio filtrante, le variazioni nella natura chimica dovuti tappi di argille o infiltrazioni dalla superficie.
Lo spurgo a bassa portata (low-flow), sia che si utilizzino sistemi portatili che dedicati, deve essere effettuato posizionando l’aspirazione della pompa alla metà, o leggermente più in alto della metà, della zona fenestrata del pozzo. Posizionare la pompa troppo in basso significherebbe aspirare anche i solidi che possono essersi accumulati nel corso del tempo. Queste particelle sono il risultato dello sviluppo del pozzo, prima delle operazioni di campionamento, o depositi dovuti alla naturale sedimentazione dei colloidi trasportati dalle acque sotterranee.
Pertanto, il posizionamento della pompa al centro o verso la parte superiore del filtro è consigliato. Porre la pompa presso la cima della colonna d’acqua è raccomandato solo nei casi di acquiferi non confinati, con filtri lungo tutta la sezione e se tale punto è quello desiderato per il campionamento. Lo spurgo low-flow ha il vantaggio di minimizzare la miscelazione tra lo strato superiore di acqua stagnante e quella presente nella zona fenestrata.
Spurgo e campionamento low-flow
La procedura di campionamento acque sotterranee a basso flusso Low-Flow è riferito alla velocità con la quale l’acqua entra nell’aspirazione della pompa, e che proviene dalle immediate vicinanze del filtro dei pozzo. Non si riferisce necessariamente alla portata d’acqua scaricata alla superficie, che può essere soggetta a regolamenti e restrizioni. L’abbassamento del livello dell’acqua dà la migliore indicazione dello stress derivato da una certa portata in una certa situazione idrogeologica. L’obiettivo è di estrarre l’acqua in modo tale da minimizzare lo stress (vedi abbassamento di livello) impartito al sistema tenendo conto, in ogni caso, degli obiettivi globali del programma di campionamento. Tipicamente, viene utilizzata una portata di 0,1 – 0,5 l/min, anche se tale valore è legato alle condizioni idrogeologiche caratteristiche del sito. Alcune formazioni a granulometria grossolana sono state campionate con velocità anche di 1 l/min. L’efficacia di un campionamento low-flow è intimamente legato ad un corretto posizionamento della zona fenestrata, alla lunghezza della stessa e alle tecniche con cui il pozzo è stato installato e sviluppato. Il ristabilirsi dei percorsi naturali dell’acquifero in tutte le direzioni è importante per una corretta interpretazione dei risultati analitici. Se si desidera un’alta risoluzione nel campionamento, è necessario utilizzare zone fenestrate non superiori al metro. Si è visto che la necessità di effettuare lo spurgo del pozzo prima del campionamento è dovuta, nella gran parte dei casi, all’azione di disturbo durante il passaggio del mezzo utilizzato per il campionamento. Tale attività provoca la miscelazione degli strati della colonna d’acqua, in particolare tra le zone stagnanti superiori e quelle in movimento nella zona fenestrata. In aggiunta, si crea sia un’interferenza dovuta alla movimentazione dei sedimenti depositati sul fondo che una spinta verso la formazione immediatamente adiacente alla parete di una certa massa d’acqua.
Questi fattori di disturbo, così come l’impatto negativo sulla qualità del campionamento, possono essere evitati utilizzando apparecchiature dedicate. Tali strumenti permettono di evitare l’inserimento di “corpi estranei” prima di effettuare spurgo e campionamento.
Utilizzando le tecniche di campionamento low-flow è possibile isolare la zona fenestrata dalla colonna d’acqua stagnante che la sovrasta. Se l’aspirazione della pompa è posizionata all’interno dell’area fenestrata, la maggior parte dell’acqua verrà aspirata direttamente dalla formazione, minimizzando così miscelazione ed interferenze con l’acqua stagnante del pozzo. In ogni caso, se il pozzo non è costruito a dovere, altre zone non previste possono venire accidentalmente campionate. In alcuni siti dove esiste una spiccata eterogeneità geologica all’interno dell’intervallo fenestrato, aree a conducibilità idraulica più elevata potrebbero dare luogo a percorsi preferenziali di campionamento. Questa è una ragione in più per utilizzare aree fenestrate più corte, in particolar modo quando l’obiettivo di campionamento è un’elevata risoluzione spaziale.
Parametri indicatori della qualità delle acque
E’ raccomandato l’utilizzo di parametri che indichino la qualità delle acque nella procedura di campionamento delle acque sotterranee in modo da identificare la necessità o meno di uno spurgo prima del prelievo del campione. I parametri di stabilizzazione quali pH, conducibilità, ossigeno disciolto, potenziale redox, temperatura e torbidità devono essere monitorati per determinare il momento in cui l’acqua di formazione inizia a fluire nel campionatore.
In generale, l’ordine con il quale i parametri si stabilizzano è: pH, temperatura e conducibilità, seguiti da potenziale redox, ossigeno disciolto e torbidità.
Il pH e la temperatura, pur essendo due parametri comunemente utilizzati come indicatori durante lo spurgo, non permettono quasi mai di distinguere l’acqua del corpo pozzo da quella di formazione; rimangono comunque dei fattori importanti per l’interpretazione dei dati e devono essere misurati.
I criteri di performance nella determinazione della stabilizzazione devono essere basati sul valore di abbassamento del livello, sulla portata di campionamento e sui particolari costruttivi delle attrezzature dedicate alla misura dei parametri in gioco. Sono infatti disponibili apparecchiature in grado di monitorare in continuo i suddetti parametri nel flusso in uscita dalla pompa.
E’ importante stabilire dei criteri specifici sulla stabilizzazione di ogni pozzo, ed utilizzare in seguito sempre la stessa metodica, in particolar modo in relazione all’abbassamento del livello, alla portata di campionamento e all’apparecchiatura di campionamento. In generale, il tempo o il volume richiesto per lo spurgo al fine di ottenere la stabilizzazione dei parametri è indipendente dal volume dei pozzi o dalla loro profondità. Le variabili dipendenti sono il diametro, il tipo di apparecchiature di campionamento, le condizioni idrogeologiche e chimiche, la portata della pompa e se le attrezzature sono di tipo portatile o dedicate. Se il mezzo utilizzato per il campionamento è già sul posto (apparecchiatura dedicata), allora i tempi e i volumi di spurgo sono decisamente più bassi. Altri vantaggi dei sistemi dedicati sono le minori quantità di acqua di spurgo da smaltire, meno strumenti da decontaminare, minor tempo speso nella preparazione al campionamento e, di conseguenza, minor tempo speso sul sito, un approccio più consistente al campionamento che probabilmente si traduce in una minor variabilità nei risultati. L’utilizzo di apparecchiature dedicate è fortemente raccomandato per i pozzi soggetti campionamenti di routine nel tempo.
Se i parametri di stabilizzazione sono troppo stretti può accadere che a fronte di piccole oscillazioni i tempi di spurgo si protraggano oltre il necessario. Bisogna tener presente che la torbidità è un parametro molto conservativo in termini di stabilizzazione. La torbidità è sempre l’ultimo parametro a stabilizzarsi. Tempi di spurgo eccessivi sono invariabilmente legati all’aver stabilito criteri troppo stretti sulla stabilizzazione della torbidità. Bisogna ricordare che livelli di torbidità naturali possono anche superare i 10 NTU.
Vantaggi e svantaggi dello spurgo low-flow (minimo abbassamento)
In generale, i vantaggi del microspurgo includono:
- campioni che sono rappresentativi del carico mobile (mobile load) di contaminanti presenti (disciolti e associati ai colloidi)
- minimo disturbo del punto di campionamento e come conseguenza una semplificazione nelle apparecchiature di campionamento
- minore variabilità dovuta all’operatore; migliore controllo da parte dell’operatore
- riduzione dei fattori di stress sulla formazione (minimo abbassamento)
- minore miscelazione tra l’acqua stagnante del pozzo e l’acqua di formazione
- minore necessità di filtrazione e, di conseguenza, tempi minori di campionamento
- volumi di spurgo ridotti che diminuiscono i costi di smaltimento e i tempi di campionamento
- migliore consistena del campione; ridotta variabilità nei campioni artificiali
Gli svantaggi:
- costi di investimento iniziale più elevato
- tempi iniziali (di set-up del sistema) più lunghi
- la necessità di trasportare delle apparecchiature addizionali al sito e dal sito
- tempi di addestramento più lunghi
- resistenze al cambio di metodo da parte degli addetti ai lavori
- la paura che i nuovi dati portino a risultati differenti e tali da innescare nuovi processi / azioni
Raccomandazioni per il campionamento
I campioni di fluido non devono essere presi immediatamente dopo le procedure di sviluppo pozzo. Bisogna attendere un tempo sufficiente affinché si ristabilizzi il naturale movimento dell’acquifero nelle vicinanze del pozzo di monitoraggio e che un nuovo equilibrio chimico con i materiali di costruzione venga raggiunto. Tale lasso di tempo dipende da vari fattori legati alle condizioni del sito e ai metodi di installazione, ma spesso supera la settimana.
Lo spurgo del pozzo è quasi sempre necessario per ottenere che un flusso di acqua di formazione attraversi la fenestratura del pozzo. Piuttosto che utilizzare la procedura generalizzata (ma arbitraria) di spurgare tre volumi di acqua prima del campionamento, è raccomandato l’utilizzo di strumenti di misura in linea (per esempio celle a deflusso) per identificare il tempo di stabilizzazione di alcuni parametri (pH, conducibilità, redox, ossigeno disciolto, torbidità) di ogni pozzo. I dati relativi alla portata di estrazione, abbassamento di livello e volume richiesto per la stabilizzazione dei parametri possono essere usati come guida per le successive attività di campionamento.
Le seguenti sono raccomandazioni da tenere in considerazione prima, durante e dopo le attività di campionamento:
- utilizzare basse portate (< 0,5 l/min) durante lo spurgo e il successivo campionamento in modo da ottenere il minimo abbassamento nel livello del pozzo;
- massimizzare lo spessore dei tubi e minimizzarne la lunghezza;
- posizionare l’aspirazione della pompa nel punto di campionamento desiderato;
- minimizzare i fattori di disturbo sulla colonna d’acqua stagnante al di sopra dell’intervallo fenestrato durante le operazioni di misura del livello e l’inserimento del mezzo campionante
- effettuare gli aggiustamenti per stabilizzare la portata il più velocemente possibile;
- monitorare gli indicatori della qualità delle acque durante lo spurgo;
- raccogliere campioni non filtrati per valutare il carico di contaminanti e il potenziale di trasporto nel sistema sotterraneo;
Calibrazione dell’equipaggiamento
Prima del campionamento, tutto l’equipaggiamento deve essere calibrato in accordo alle raccomandazioni dei produttori, del Piano di Qualità del progetto e del Piano di Campionamento in Situ. La calibrazione del pH deve essere effettuata con almeno due soluzioni buffer che includano l’intervallo previsto. La calibrazione per l’ossigeno disciolto deve essere corretta in funzione della pressione barometrica e del livello altimetrico.
Misura del livello dell’acqua e monitoraggio
Si raccomanda che l’apparecchiatura utilizzata sia il meno possibile di disturbo all’acqua contenuta nel corpo pozzo. La profondità deve essere ottenuta dai dati del pozzo. Misurare al fondo del pozzo porta in sospensione i solidi decantati dalla formazione e richiede un tempo di spurgo più lungo a causa della torbidità indotta. Misurare la profondità del pozzo a campionamento avvenuto. La misura del livello dell’acqua deve essere effettuata relativamente ad una elevazione di riferimento fissata a priori.
Tipo di pompa
L’utilizzo di pompe a bassa portata (0,1 – 0,5 l/min) è consigliato per lo spurgo ed il campionamento di tutti i tipi di analisi. Tutte le pompe hanno dei limiti, e questi devono tenuti in considerazione rispetto all’applicazione in un determinato sito. I bailers sono strumenti inadeguati per i campionamenti low-flow.
Considerazioni generali
Non ci sono dei requisiti particolari rispetto alle apparecchiature da utilizzare con le tecniche di campionamento low-flow. La cosa più importante è che l’apparecchiatura dia risultati consistenti e il minimo disturbo al sistema nell’intervallo di portate tipiche di questa tecnica (< 0,5 l/min).
E’ chiaro che un’apparecchiatura che ottiene un abbassamento di livello minimo o nullo in un pozzo potrebbe essere causa di un significativo abbassamento in un atro con caratteristiche di trasmissività della formazione più basse. In questo senso, la pompa non deve causare modifiche nella pressione, temperatura o nelle altre caratteristiche fisiche del campione d’acqua in un ragionevole range di campionamenti. La costanza nelle operazioni è un fattore critico per ottenere risultati di accuratezza e precisione.
Vantaggi e svantaggi delle apparecchiature di campionamento
E’ disponibile una varietà di strumenti per lo spurgo e campionamento low-flow, quali le pompe peristaltiche, le pompe “bladder”, le elettriche sommergibili e le pompe a gas. Le apparecchiature che meglio si prestano sia ad essere strumenti dedicati (a posizionamento fisso) che a funzionare in modo consistente alle basse portate utilizzate nel low-flow sono da preferirsi. E’ anche auspicabile che si possa avere un buon controllo sui parametri operativi della pompa anche a portate molto basse. La pompa peristaltica è limitata ad applicazioni di bassa profondità, e può portare a degasamento del campione con il risultato di alterare il pH e l’alcalinità e di perdita delle sostanze volatili. Le pompe a gas devono essere del tipo che non permetta il contatto tra il fluido e il gas stesso.
Chiaramente, i bailers e gli altri strumenti della stessa famiglia non sono assolutamente adatti per questa tecnica di campionamento, in quanto portano ad innalzare la torbidità del sistema e a miscelare le acque stagnanti con quelle di formazione. Allo stesso modo, anche sistemi a spinta inerziale con valvola di fondo causano troppi disturbi al pozzo. L’uso di questi strumenti porta inoltre ad introdurre dei fattori incontrollati dovuti alla variabilità nell’azione dell’operatore.
Installazione della pompa
Le apparecchiature di campionamento dedicate (fisse nel pozzo) che sono in grado di pompare e produrre campioni sono da preferirsi al di sopra di ogni altro tipo. Ogni strumento portatile deve essere calato lentamente e con attenzione fino al centro della zona fenestrata o leggermente più in alto (per es. 1-1,5 metri sotto la cima di una griglia di 3 metri). Ciò per minimizzare la miscelazione con la colonna di acqua stagnante superiore e, nello stesso tempo, ridurre al minimo gli effetti di una risospensione del particolato decantato sul fondo del pozzo. E’ dimostrato come questi due effetti di disturbo incidano direttamente sui tempi di spurgo del sistema. Sembra inoltre che ci sia una correlazione diretta tra le dimensioni dell’apparecchiatura di campionamento in rapporto al diametro del pozzo ed il tempo di spurgo. La chiave è minimizzare i fattori di disturbo per l’acqua ed i solidi all’interno del corpo del pozzo.
Filtrazione
La decisione se filtrare o no un campione deve essere dettata dagli obiettivi della campagna di campionamenti piuttosto che essere un’operazione di routine dovuta ad una scarsa tecnica di campionamento, e la filtrazione in campo non può essere un intervento di default. Bisogna fare delle considerazioni su cosa si vuole ottenere dalla filtrazione in campo. Per valutare le concentrazioni di elementi quali metalli in tracce realmente disciolti in acqua (in opposizione a quelli operativamente disciolti tramite per es. filtrazione a 0,45 m m) sono raccomandati filtri da 0,1 m m, anche se gran parte dei regolamenti prevedono quelli da 0,45 m m. Campioni alcalini devono anch’essi essere filtrati se si sospetta la presenza di particolato di carbonato di calcio, visto che questa sostanza ha un impatto sui risultati della titolazione (anche se la stessa filtrazione può alterare la composizione della CO2 e, di conseguenza, falsare i risultati).
Anche se la filtrazione può essere considerata una pratica appropriata, talvolta può causare una serie di inconvenienti (ossidazione, areazione…) e, di conseguenza, ad una incertezza nei risultati. Alcune modifiche nello stato del campione sono inevitabili, ma i fattori che portano ad esse devono essere noti. Alcuni effetti deleteri possono essere minimizzati con la coerente applicazione di alcune linee guida. Le linee guida devono indirizzare alla selezione del tipo di filtro, del diametro dei pori ecc.., in modo da identificare e minimizzare le potenziali fonti di incertezza durante la filtrazione del campione.
La filtrazione in linea è raccomandata perché porta ad una maggiore consistenza tramite una minor manipolazione del campione, oltre a minimizzare l’esposizione dello stesso all’atmosfera. I filtri in linea sono disponibili sia in formato usa e getta che riutilizzabile, oltre che in vari formati e dimensioni (0,1 – 5 m m). Quelli usa e getta hanno il vantaggio di avere una capacità superiore sui sedimenti rispetto ai tradizionali filtri a membrana. I filtri devono essere prelavati in accordo alle prescrizioni del produttore. Se la risciacquatura non è prevista, far scorrere un litro d’acqua di falda tra la raccolta del campione e la fine dello spurgo. Una volta iniziata la filtrazione, la massa filtrata può ostruire i passaggi a valori inferiori di quelli nominali del filtro e naturalmente diversi da quelli desiderati. Azioni correttive possono essere la prefiltrazione con filtri a maggior luce di passaggio o la riduzione del volume da campionare.