Modalità di esecuzione tracciamenti

I traccianti

Scopi

•Verso dove? - Capire quale è la direzione di deflusso della falda. In questo caso è sufficiente iniettare un solo tracciante e tenere sotto osservazione tutti i punti di possibile fuoriuscita della sostanza.

•Da dove? - Capire qual’è la zona di ricarica della falda. In questo caso devo effettuare più iniezioni con diverse sostanze contemporaneamente in diversi punti, diversi test in momenti diversi con la stessa sostanza.

•Connessione tra due punti - Capire se l’acqua fluisce da un punto A ad un punto B. In questo caso è necessario l’utilizzo di una sola sostanza ad il monitoraggio di un solo punto.

•Quanto? - L’utilizzo dei traccianti, attraverso la misura della concentrazione degli stessi nell’acqua, permette di effettuare considerazioni quantitative sui volumi d’acqua in gioco. Questa applicazione è molto importante ad esempio quando il tracciante viene utilizzato nelle misure di portata di un corso d’acqua.

•Come? - I test di tracciamento oltre a consentire la determinazione di direzione e velocità di deflusso sono utilizzati anche per capire quali sono le modalità di circolazione dell’acqua in un acquifero, e, tenendo conto delle relative concentrazioni nell’acqua, permettono di ricavare diversi parametri idrogeologici come dispersione, porosità efficace, conducibilità idraulica…..etc.

•Come si comporta un contaminante nell’acquifero?

I traccianti artificiali sono delle sostanze che immesse in un acquifero nel campo dell’idrogeologia vengono utilizzati per indagare un acquifero con molteplici finalità. Essi vengono immessi

nell’acquifero sia direttamente in falda che nella zona non satura.

Modalità di esecuzione tracciamenti

A seconda degli scopi che ci si prefissa i test di tracciamento possono essere condotti secondo diverse modalità operative.

•Test di tracciamento semplice

Prevede l’utilizzo di un solo tracciante, un solo punto di iniezione, e differenti punti di monitoraggio.

Scopi: Provare connessioni idrauliche tra due punti, studiare la dinamica del flusso idrico e la dinamica di trasporto di un potenziale inquinante.

•Test di tracciamento multiplo

Utilizzo di differenti traccianti in diversi punti di iniezione e differenti punti di monitoraggio Scopi: studiare le direzioni di deflusso in un acquifero, delineare i bacini di alimentazione di

sorgenti…etc.

•Test di tracciamento comparativo

Immissione di diversi traccianti in un solo punto

Scopi: confrontare le proprietà di differenti tipi di traccianti e/o simulare la propagazione di uno

specifico agente contaminante

Un tracciante artificiale dovrebbe rispondere a determinati requisiti chimico – fisici affinchè i risultati del test consentano di definire al meglio le reali dinamiche di circolazione presenti nell’acquifero.

In particolare un tracciante artificiale dovrebbe possedere le seguenti caratteristiche:

•Essere assente nell’acqua

•Essere rilevabile a concentrazioni molto basse

•Consentire buone determinazioni di concentrazione

•Possedere una buona solubilità nell’acqua

•Non alterare le caratteristiche fisiche dell’acqua

•Non deve separarsi dall’acqua

•Risultare stabile nei confronti di attacchi

•Essere inerte e stabile nel tempo

•Tecnologicamente semplice da gestire

•Ampiamente disponibile sul mercato

•Innocuo per l’ambiente

Ovviamente non esiste una sostanza che soddisfa contemporaneamente tutti questi requisiti quindi bisogna scendere a compromessi utilizzando la sostanza che più si addice alle esigenze operative e agli scopi da raggiungere tenendo ben presente anche gli aspetti economici.

Caratteristiche dei traccianti artificiali

Un tracciante che possiede tali requisiti viene definito “tracciante ideale”.

Caratteristiche dei traccianti artificiali

I traccianti artificiali possono essere conservativi o reattivi.

Tracciante conservativo: è una sostanza stabile e inerte che si comporta come la molecola d’acqua e non manifesta nessun tipo di reazione né con l’acqua né con l’acquifero.

Tracciante reattivo: è una sostanza che interagisce con l’acquifero o con l’acqua di falda oppure è instabile. Questi traccianti sono soggetti a processi come adsorbimento (reversibile o irreversibile), precipitazione, ossidazione, riduzione, volatilizzazione, degradazione; i traccianti particolati sono soggetti anche a sedimentazione e filtrazione; i traccianti microbiologici (spore, fagi ecc.) sono influenzati anche da processi biologici (riproduzione, morte ecc.).

Tutti i traccianti sono in qualche modo reattivi, ma alcuni, soprattutto considerando una scala dei tempi sufficientemente breve, possono essere considerati conservativi (per es. fluoresceina).

L’utilizzo di determinanti traccianti reattivi può essere utile quando si vuole studiare il

comportamento ed i meccanismi di trasporto nell’acquifero di determinate sostanze inquinanti

soggette a particolari fenomeni di interazione con l’acqua e/o con l’acquifero.

Tipi di traccianti

•Coloranti

•Sali

•Isotopi Radioattivi

•Spore

•Microsfere fluorescenti

•Batteri

•Batteriofagi

Esistono svariate tipologie di traccianti artificiali con caratteristiche anche molto diverse l’uno dall’altro.

Teoricamente si potrebbe considerare tracciante artificiale qualsiasi corpo in grado di essere trasportato dall’acqua nei meati dell’acquifero.

Anche sversamenti accidentali di sostanze nell’acquifero.

Fluorescenti Non fluorescenti

Traccianti

solubili in acqua

Traccianti non solubili in acqua

(particellari)

Tipi di traccianti

Da Benischke, Goldscheider & Christopher

1 ppb = 1 μg/l 1μg =10^-6g=10^-9kg

Traccianti fluorescenti

La fluorescenza è determinata dall'assorbimento di energia da parte di atomi o molecole per cui gli elettroni si spostano ad un livello energetico superiore e dopo brevissimo tempo ritornano al livello energetico originario liberando l'energia assorbita sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. Dato che la resa energetica non è mai pari al 100% le onde elettromagnetiche emesse per fluorescenza avranno lunghezza d'onda λ superiore (e quindi energia minore) rispetto a quelle incidenti.

I principali traccianti fluorescenti sono:

• coloranti stilbenici tra cui il Tinopal CBS-X

• coloranti xantenici come la fluoresceina sodica o uranina

• altre sostanze fluorescenti come: piranina, naftionato di sodio, sulforodamina B e G

Ogni tracciante fluorescente è contraddistinto da due lunghezze d’onda caratteristiche:

• eccitazione (λa)

• emissione (λf)

Le sostanze utilizzate nei tracciamenti hanno λ comprese tra 300 e 600 nm.

Da http://mekentosj.com

L’intensità delle onde elettromagnetiche emesse per fluorescenza da una soluzione d’acqua contenente una sostanza fluorescente è proporzionale alla concentrazione della sostanza stessa (a parità di intensità delle onde elettromagnetiche di eccitazione).

Il pregio dei traccianti fluorescenti è che hanno basse concentrazioni di rilevabilità (sono quindi sufficienti piccole quantità di tracciante), molti non sono tossici nelle normali condizioni d’uso, in uno stesso campione è possibile analizzare più sostanze contemporaneamente (ognuna di esse è contraddistinta da lunghezze d’onda caratteristiche).

λf – λa = Δ λ

Traccianti fluorescenti - caratteristiche

Fluoresceina sodica o uranina

La fluoresceina sodica o uranina è uno dei traccianti più utilizzati in campo idrogeologico dato che le sue caratteristiche si avvicinano molto a quelle di un tracciante ideale. È una polvere di colore arancio - rosso che sciolta in acqua produce un'intensa colorazione verde. Utilizzata in buone condizioni 1 Kg di fluoresceina può colorare 10000 m³ d’acqua.

•Solubilità 600 g/l a 20°C (molto alta rispetto a tanti altri traccianti)

•Rilevabilità ad occhio nudo circa 100 ppb (circa 0.1g/m³!!!)

•Soglia di rilevabilità 0.002 ppb

•Eccitazione massima 491 nm

•Emissione massima 512 nm (campo del verde)

•Molecola soggetta a decadimento fotochimico

•Costo circa € 70,00 /kg + IVA

•L’intensità della fluorescenza dipende dal pH del mezzo acquoso

Quest’ultimo aspetto è molto importante quando si effettuano le misure di concentrazione. Due misure sono comparabili solamente se è identico il pH delle due soluzioni. Inoltre le condizioni di rilevabilità sono più vantaggiose a pH prossimi a 10 (maggiore intensità).

Da Käss (1998)

Traccianti fluorescenti - caratteristiche

Tinopal CBS-X

Utilizzato in campo idrogeologico soprattutto per lo studio di acquiferi carsici. È una sostanza impiegata nel campo di produzione della carta e come additivo in molti detersivi (si tratta di un candeggiante ottico). Viene commercializzato sottoforma di polvere giallo pallido o biancastra che sciolta in acqua rende la soluzione di aspetto lattiginoso alle alte concentrazioni, mentre a concentrazioni più basse ha il vantaggio di non alterare l’aspetto dell’acqua.

•Solubilità 25 g/l a 25°C (molto bassa)

•Soglia di rilevabilità circa 0.1 ppb

•Eccitazione massima 365 nm

•Emissione massima 440 nm (campo del blu)

•Difficilmente rilevabile ad occhio nudo

• L’intensità della fluorescenza dipende in maniera trascurabile dal pH del mezzo acquoso

•Molecola estremamente fotolabile (se esposto alla luce il tempo di dimezzamento è circa 17 ore)

•Difficilmente utilizzabile qualora l’acqua sia torbida o presenti alte concentrazioni di TOC

•È molto sensibile (più della fluoresceina) a fenomeni di adsorbimento da parte di minerali argillosi per cui è poco indicato nello studio di acquiferi porosi od in presenza di livelli di marne.

•Costo circa € 85,00 /kg + IVA (più della fluoresceina)

Da Käss (1998)

Traccianti fluorescenti – lampada di wood

Un test di tracciamento prevede di effettuare la verifica del passaggio della sostanza impiegata presso i punti di monitoraggio. Tale verifica può essere condotta qualitativamente (è passato o no il tracciante?) o quantitativamente (misura delle concentrazioni di tracciante nel tempo).

VERIFICA QUALITATIVA

•Se le concentrazioni di tracciante sono elevate è possibile stimare “a vista” la presenza della sostanza (cioè se l’acqua risulta colorata o meno) oppure se le concentrazioni sono più basse si può utilizzare una lampada di wood per riscontrare se un campione d’acqua è fluorescente o meno.

Esempi di fluocaptori

Lampada di wood

Per Lampada di Wood o luce nera (Luce di Wood o Black light in Inglese) si intende una sorgente luminosa che emette radiazioni elettromagnetiche prevalentemente nella gamma degli ultravioletti ed in misura trascurabile nel campo della luce visibile. In molti campi la Lampada di Wood è anche detta semplicemente

"lampada UV". Una lampada di Wood produce quindi luce non direttamente visibile dall'occhio umano. Per questo motivo può essere impiegata per evidenziare la presenza di sostanze su cui una radiazione ultravioletta induca effetti di fluorescenza.

Traccianti fluorescenti – sensori passivi

Sensori passivi – metodo cumulativo

Se è sufficiente accertare il passaggio del tracciante presso un punto di monitoraggio è possibile utilizzare dei

“sensori passivi” detti fluocaptori. Sono costituiti da materiali (solitamente carbone attivo per l’uranina e cotone per il tinopal) in grado di adsorbire ed accumulare nel tempo certi tipi di tracciante. Essi vengono sospesi in acqua e lasciati in posto per un tempo variabile in funzione del tipo di studio e delle caratteristiche dell’area indagata. Dopo il prelievo il materiale viene opportunamente trattato in laboratorio per estrarre il tracciante eventualmente adsorbito valutandone così la presenza o meno. Questo sistema in grado di accumulare tracciante nel tempo, è utile anche quando le concentrazioni di tracciante nell’acqua sono troppo basse per essere rilevate con altri metodi analitici.

•Vantaggi – metodo economico; grande risparmio di tempo

•Svantaggi – non da informazioni quantitative

NB : prima di immettere il tracciante è bene predisporre in tutti i siti monitorati dei fluocaptori detti “bianchi” per verificare l’eventuale presenza nell’acqua di altre sostanze passibili di adsorbimento da parte dei captori e con caratteristiche ottiche simili a quelle dei traccianti utilizzati.

Esempi di fluocaptori

Per conoscere la modalità di restituzione del tracciante presso un punto di monitoraggio bisogna misurarne la concentrazione nell’acqua e le relative variazioni nel tempo. Ciò viene fatto prelevando campioni d’acqua e analizzandoli successivamente in laboratorio tramite uno spettrofluorimetro, strumento in grado di rilevare anche concentrazioni molto basse.

Lo strumento è costituito da due apparati ottici detti monocromatori. Il primo, detto di eccitazione, seleziona la lunghezza d’onda delle onde elettromagnetiche che incidono sul campione d’acqua, mentre il secondo seleziona la lunghezza d’onda delle onde elettromagnetiche emesse per fluorescenza dal campione. Lo spettrofluorimetro quindi rileva l’intensità di fluorescenza emessa dal campione d’acqua prodotta dalla lunghezza d’onda di eccitazione impostata.

Traccianti fluorescenti – misure di concentrazione

Schema di spettrofluorimetro

L=sorgente luminosa; S_f=fenditura; S_v= fenditura variabile; M_A=monocromatore di eccitazione; M_F=monocromatore di emissione K=cuvetta con campione; P_k=fotomoltiplicatore;

R=sensore di riferimento

Una volta rilevata l’intensità delle onde elettromagnetiche emesse dal campione nella lunghezza d’onda tipica della sostanza ricercata, questa viene convertita in unità di concentrazione (ppb, ossia μg/l) attraverso un’equazione di calibrazione ricavata sperimentalmente tramite l’analisi su campioni a concentrazioni note.

NB:La curva di calibrazione va effettuata tenendo conto anche del background misurato su campioni “bianchi”

prelevati prima dell’esecuzione del test.

NB: soprattutto nel caso della fluoresceina assicurarsi che tutti i campioni analizzati abbiano lo stesso pH. Meglio ancora portarli a pH 10 tramite l’aggiunta di una soluzione basica (NaOH + EDTA).

Da Käss (1998)

Traccianti fluorescenti – Scan sincrono dell’uranina

Lunghezza d’onda di eccitazione (nm)

Intensità di fluorescenza background

Intensità di fluorescenza dovuta alla presenza di uranina

Scan sincrono

: scan del campione d’acqua effettuato variando contemporaneamente le lunghezze d’onda di entrambi i monocromatori, in modo tale che le λ sulle quali essi sono impostati differiscono tra loro per la Δ λ tipica della sostanza (ES: Lo scan sincrono dell’uranina viene effettuato mantenendo i fotocromatori ad una Δ λ di 21 nm l’uno dall’altro).

ANALISI DEI CAMPIONI D’ACQUA

S ^ABLICI 4

ANALISI DEI CAMPIONI D’ACQUA

M ^OSCHENIZZE N ^ORD

ANALISI DEI CAMPIONI D’ACQUA M ^OSCHENIZZE N ^ORD

27/06/2018 h.

09:10

26/06/2018 h.

14:45

27/06/2018 h.

14:51

27/06/2018 h.

21:19

28/06/2018 h.

09:15

26/06/2018 h.

09:40

CURVA DI CALIBRAZIONE

1

Applicando l’equazione y = x/107.87, dove y è la concentrazione [ppb]

e x è uguale all’intensità massima meno l’intensità di background

ANALISI DEI CAMPIONI D’ACQUA M ^OSCHENIZZE N ^ORD

MAX -> non registrato

Traccianti fluorescenti – misure in continuo

La concentrazione dei traccianti fluorescenti può essere misurata anche in situ mediante l’utilizzo di particolari fluorimetri. Alcuni di essi sono in grado di misurare e registrare contemporaneamente la concentrazione di tre tipologie di tracciante:

• coloranti stilbenici tra cui il Tinopal CBS-X

• coloranti xantenici tra cui la Fluoresceina sodica

• coloranti rodaminici come sulforodamina B

L’intensità di fluorescenza rilevata dipende anche dalla torbidità dell’acqua, per cui la sonda misura anche la torbidità per consentire una correzione nel calcolo di concentrazione del tracciante.

In condizioni ideali questi strumenti sono in grado di rilevare concentrazioni minime di 0.01 ppb per i coloranti xantenici e 0.1 ppb per gli altri. Nel caso in cui le acque monitorate risultino torbide, la soglia di rilevabilità si eleva proporzionalmente al livello di torbidità.

Gli intervalli di registrazione del dato sono a discrezione dell’utente e possono variare da pochi sec a qualche ora.

Lo strumento è composto da:

• una sonda contenente l’apparato ottico per le misure di fluorescenza dell’acqua;

• un’unità di controllo delle impostazioni di acquisizione dei dati che contiene le batterie per l’alimentazione e la scheda di memoria.

Fluorimetro GGUN-FL24 prodotto in Svizzera (University of Neuchâtel)

MONITORAGGIO IN CONTINUO M ^OSCHENIZZE N ^ORD

Iniezione del tracciante

CONFRONTO DEI DATI

M ^OSCHENIZZE N ^ORD

Traccianti salini

Le sostanze saline possono essere utilizzate efficacemente come traccianti soprattutto per indagini a corto raggio. Il più alto limite di rilevabilità comporta però l’utilizzo di maggiori quantità di sostanza, considerando anche che alcuni ioni sono già naturalmente presenti nell’acqua.

Considerando le diverse specie ioniche che compongono un sale, i più importanti ioni utilizzati sono:

Anioni: Cl^-, I^-, Br^- Cationi: Na⁺, K⁺, Li⁺

La concentrazione del tracciante può essere valutata misurando:

•Concentrazione degli anioni (tracciante conservativo) – analisi di laboratorio o sonde ionoselettive

•Concentrazione dei cationi (tracciante reattivo) – analisi di laboratorio o sonde ionoselettive

•Conducibilità elettrolitica

La misura della conducibilità può esser fatta con un normale conduttivimetro portatile o con una sonda in grado di misurare il parametro in continuo.

Il tracciante salino maggiormente utilizzato è NaCl, anche in relazione alla facile reperibilità sul mercato ed ai costi contenuti.

Traccianti salini – Esempio di utilizzo

Preparazione della salamoia (Prato Carnico – Dic ‘05)

Immissione in falda mediante piezometro di una salamoia costituita da circa 5 m³ d’acqua e 500 kg di NaCl (conducibilità salamoia ≅ 90000 uS/cm), e monitoraggio tramite analisi su campioni d’acqua prelevati in piezometri, tramite esecuzione di log di conducibilità in pozzo e tramite sonde multiparametriche installate in diversi piezometri.

Scopo: determinare direzione e velocità di deflusso della falda.

1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200

20/10/05 25/10/05 30/10/05 04/11/05 09/11/05 14/11/05 19/11/05 24/11/05 29/11/05 04/12/05 09/12/05

Conducibilità uS/cm

Monitoraggio conducibilità in foro

Picco max dopo 52h e 73m di percorso (iniezione nel foro 32 e monitoraggio nel foro 16)

Traccianti particellari

Il particellato presente normalmente nell’acqua comprende sedimenti, materiale organico e microorganismi.

Le particelle < 1μm sono classificate come colloidi. Contaminanti come metalli pesanti, e radioisotopi sono spesso adsorbiti e trasportati da particelle e da colloidi. I virus ed alcuni piccoli batteri hanno dimensioni <

1μm. I traccianti particellari sono utilizzati soprattutto per simulare il trasporto di determinati agenti patogeni.

Le loro limitate interferenze in campo analitico li rendono utilizzabili per test di tracciamento multipli.

•Spore di Licopodium clavatum (non molto usate)

•Microsfere fluorescenti

•Batteri

•Batteriofagi (virus che infettano i batteri)

Da Käss (1998)

Traccianti particellari

Microsfere fluorescenti

•Sono disponibili in diametri compresi tra 0.05 e 90 μm

•Hanno differenti caratteristiche fisiche come densità e carica elettrica

•Hanno differenti caratteristiche di fluorescenza

•Le più usate sono quelle da 1μm costituite da poliestere, neutre dal punto di vista elettrico e con λf compresa tra 458 e 540 nm.

•L’analisi viene effettuata tramite conteggio con microscopio a fluorescenza o tramite un contatore di particelle fluorescenti. Il conteggio tramite microscopio è più lungo ma più preciso.

Un contenitore da 10 ml contiene un numero di microsfere da 1μm dell’ordine di 10¹¹ particelle.

Realizzazione di un test di tracciamento

Scelta del tracciante

•Conservativo per caratterizzare i movimenti dell’acqua (come uranina ed eosina). In acquiferi carsificati anche alcuni cationi (per es. litio e sodio) ed alcuni anioni (per es. cloro e bromo) possono essere considerati conservativi. I traccianti se utilizzati in acquiferi porosi soprattutto se ricchi in sostanze organiche e minerali argillosi oppure quando i tempi di permanenza nell’acquifero sono lunghi non sempre si comportano in maniera conservativa.

•Reattivo per studiare processi di trasporto di inquinanti o agenti patogeni

•Invisibile nel caso in cui sia da evitare la colorazione dell’acqua (presenza di acquedotti o tracciamenti in acque superficiali). In questo caso posso utilizzare sali, tinopal, traccianti particolati…

•Non deve essere già presente nell’acqua o con concentrazioni di background basse e possibilmente costanti

•Non fotolabile nel caso in cui il tracciamento interessi acque superficiali per lunghi tratti (come eosina e tinopal)

•Per tracciamenti multipli devo usare traccianti che possono essere rilevati assieme nello stesso campione (traccianti fluorescenti)

•Per test su lunghe distanze il tracciante migliore è l’uranina

B k

L

M   

M = massa tracciante (kg)

L = distanza dal punto di campionamento (km) k = coefficiente dipendente da tipo di tracciante B = coefficiente dipendente dalle condizioni idrogeologiche

Massa di tracciante da iniettare

Per determinare la massa di tracciante da iniettare esistono diverse formule empiriche tra le quali quella sviluppata da Käss.

Realizzazione di un test di tracciamento

Esiste anche la formula di Formula Worthington & Smart che trova buona applicabilità negli acquiferi carsici che include le portate in uscita dal sistema e la massima concentrazione che si vuole raggiungere.

95 . 0

5

( )

10 9

.

1 LQC

M  

^



M = massa tracciante (km); L = distanza dal punto di campionamento in (km); Q = portata in uscita dal sistema; C = concentrazione massima che si vuole raggiungere

Esiste anche la formula di Formula Martel & Fournier :

Q L

M  

Massa di tracciante da iniettare

 

 



  

 v

Q M 1 , 478 L

Formula Aley e Fletcher

Formula GEMITI

1000 c 1

v Q L

M  



 



 



M massa tracciante (g) Q portata (m3/h)

v Velocità app. sul max. (m/h)

L distanza da punto tracciamento (m) C

ug/L concentrazione massima che si vuole raggiungere

C₁ conc. Media – prefissata (ug/L) M massa tracciante (kg)

L distanza da punto tracciamento (km) Q portata sorgente (m3/s)

v velocità del flusso sotterraneo (m/h)

Realizzazione di un test di tracciamento

Selezione dei siti di iniezione

•Idealmente l’iniezione dovrebbe avvenire in acqua corrente, come per esempio corsi d’acqua in cavità, corsi d’acqua in inghiottitoi, oppure direttamente in falda tramite piezometro.

•Se non è possibile, ad esempio in ambiente carsico posso effettuare l’iniezione in doline, pozzi carsici utilizzando grandi quantità d’acqua per veicolare il tracciante

•Se il tracciamento avviene per studiare la zona non satura, l’immissione del tracciante avviene semplicemente “innaffiando” la superficie.

Foto Paolo Manca - Tracciamento Abisso Gortani (M. Canin) Preparazione soluzione di uranina Preparazione soluzione di Tinopal CBS-X

Realizzazione di un test di tracciamento

Realizzazione di un test di tracciamento

Scelta dei punti di monitoraggio

•Soprattutto nel caso di un acquifero carsico è bene controllare ogni possibile punto di uscita o di passaggio del tracciante (corsi d’acqua in cavità, sorgenti, ecc.)

•Nel caso in cui il test avvenga in un acquifero poroso devo avere un numero sufficiente di piezometri per ricostruire al meglio la diffusione del plume di tracciante.

Scelta della modalità di monitoraggio

•Scegliere le modalità di monitoraggio (prelievo periodico di campioni d’acqua, campionatori automatici, sonde fluorimetriche, installazione di fluocaptori ecc.)

Scelta degli intervalli di campionamento

•Preparare un calendario delle attività di campionamento sulla base di una stima dei tempi di transito del tracciante

Ovviamente maggiore sarà l’intervallo di campionamento migliore sarà la risoluzione della curva di restituzione. Generalmente minore è il tempo di permanenza del tracciante nell’acquifero, maggiori saranno i cambiamenti di concentrazione del tracciante nel tempo e quindi minore dovrà essere l’intervallo di campionamento. L’intervallo di campionamento è solitamente più piccolo all’inizio del monitoraggio, e poi si fa progressivamente più lungo. È bene comunque eseguire in “corso d’opera” le analisi dei campioni d’acqua, controllare i dati dei fluorimetri o analizzare i captori in modo tale da “aggiustare” in corso d’opera l’intervallo di campionamento ottimizzando così l’intero monitoraggio.

Scelta della modalità di monitoraggio

Da Benischke, Goldscheider & Christopher

Scelta della modalità di monitoraggio

Prelievo di campione d’acqua

da piezometro Prelievo di campione d’acqua da

piezometro Posa dei captori Installazione fluorimetro

Il monitoraggio delle concentrazioni di tracciante tramite la raccolta di campioni d’acqua consente di raccogliere i dati in assoluto più precisi, però richiede un grande dispendio di tempo.

L’utilizzo di misuratori in continuo (fluorimetri, sensori ionoselettivi, conduttivimetri) permette di raccogliere dei dati con grande risoluzione temporale, ed inoltre questo tipo di sistema non risente di fenomeni di contaminazione. Considerati però i costi di questa strumentazione, solitamente si utilizza solamente in un numero limitato di siti. Inoltre un malfunzionamento può comportare fastidiose perdite di dati. Tale sistema va quindi affiancato anche da campionamenti manuali.

I sensori passivi costituiscono il sistema meno costoso in termini di tempo e di denaro, però non consentono di raccogliere dati quantitativi.

Realizzazione di un test di tracciamento – altre regole

Prevenire i rischi di contaminazione

•Durante l’immissione del tracciante è bene indossare tute di protezione

•Il rischio di contaminazione è meno elevato se la soluzione di tracciante viene preparata prima e poi portata sul posto

•È fondamentale separare le persone che sono in qualsiasi maniera venute in contatto con il tracciante da quelle che si occuperanno dei campionamenti

•Considerata la bassissima soglia di rilevabilità di molti traccianti è bene sciacquare tutto il materiale che si riutilizza più volte per le attività di campionamento

Conservazione dei campioni

•I campioni d’acqua prelevati vanno conservati possibilmente in frigorifero in boccette di vetro brunito lontano da fonti di luce soprattutto nel caso di traccianti fluorescenti.

•I sensori passivi (fluocaptori) una volta prelevati vanno lasciati asciugare in luogo buio oppure conservati in frigorifero.

NB

E’ fondamentale non dimenticarsi di effettuare le prove in “bianco” sia per quanto riguarda i campioni d’acqua, sia per quanto concerne i fluocaptori.

Interpretazione di un test di tracciamento

Principali caratteristiche della curva di restituzione

Nei punti di monitoraggio le concentrazioni di tracciante avranno un’evoluzione nel tempo rappresentata da una caratteristica curva a campana (curva di restituzione o breakthrough curve).

Da Käss (1998)

Analisi delle curve di restituzione

Parte fondamentale dell’interpretazione di un test di tracciamento è l’interpretazione delle curve di restituzione. Il loro studio permette in particolare di quantificare i meccanismi di advezione e dispersione che governano i processi di trasporto e di calcolare la velocità media effettiva V_a.

Calcolo delle velocità media effettiva

V_a

Solitamente la V_a viene calcolata considerando il tempo che corrisponde al passaggio della concentrazione massima t_max e la distanza d che intercorre tra punto di immissione e punto di monitoraggio (V_a= d/t_max). Si tratta spesso di una buona approssimazione, ma tale assunzione non è matematicamente esatta. Infatti il tempo che corrisponde alla V_a equivale alla media effettuata tra il tempo di picco della concentrazione del tracciante t_dom e l’istante in cui si verifica il passaggio del 50% dell’onda marcata t_mean. Il tempo di picco t_dom e t_mean corrispondono rispettivamente alla velocità dominante V_dom ed alla velocità media di flusso V_mean.

Nel caso 1 t_maxe t_mean sono molto simili, invece nel caso 3 sussiste una differenza più marcata.

Il t_mean si calcola in base al passaggio del 50% dell’onda marcata che corrisponde al 50% della cumulata relativa alla curva di restituzione.

Quindi:

1

2

3

Da Käss (1998)

2 / ) (

_{max mean}

a

t t

V d

 

Calcolo V

_max

(velocità massima)

Il tempo di primo rinvenimento del tracciante t_max corrisponde alle velocità di deflusso più elevate V_max. Ovviamente la V_maxè più difficilmente calcolabile rispetto a V_a, V_dom e V_mean. Questo accade perché dal punto di vista analitico è difficoltoso determinare il momento di arrivo di un tracciante poiché inizialmente il segnale risulta inferiore o comparabile al rumore di fondo.

La V_maxpuò comunque essere significativa soprattutto quando si considera il trasporto in falda di determinati agenti inquinanti.

Nel caso in cui i processi di trasporto della sostanza sono influenzati da reazioni chimiche e fenomeni di adsorbimento, il calcolo della V_a risulta del tutto inutile ed inesatto. Di solito questi casi si identificano facilmente perché la curva di restituzione è caratterizzata da una lentissima decrescita dei valori di concentrazione del tracciante dopo il raggiungimento del picco massimo di concentrazione.

Esempio di tracciamento con KCl. L’iniezione di ioni potassio nell’acquifero comporta variazioni di concentrazione di calcio sodio e magnesio a causa di processi di scambio ionico.

Questi ioni sono quindi liberi di muoversi nell’acquifero costituendo una nuvola di tracciante “fantasma”.

Da Käss (1998)

Interpretazione di un test di tracciamento

Calcolo della quantità di tracciante uscita dal sistema

Conoscendo la portata in uscita dal sistema (per es. sorgente) è possibile a partire dalla curva di restituzione calcolare la quantità di tracciante che è uscita dal sistema o che ha attraversato una determinata sezione di acquifero (nel caso di acquiferi porosi).

Soprattutto nell’ambito di acquiferi carsici e/o fratturati si tratta di un dato molto importante utile per valutare l’esistenza di punti di recapito dell’acquifero sconosciuti, valutare le risorse idriche presenti in un determinato sistema o sottosistema, determinare la geometria di diversi sistemi e loro reciproche interazioni ecc.

Le formule utilizzate allo scopo sono le seguenti:



^













^t

t

M

c dt Q I

R

0 ^



^







^t

t

M

c Q dt

R

0

) (

Portata costante Portata variabile

R_M= massa di tracciante rinvenuta Q = portata

c = concentrazione di tracciante t = tempo

I = area sotto la curva di restituzione (integrale)

Interpretazione di un test di tracciamento - Esercizio

Marne Calcari carsificati

Sorgente

Inghiottitoio – punto di iniezione del tracciante

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

0 5 10 15 20 25

Tempo dall'immissione (h)

Concentrazione mg/l

Un tracciante conservativo viene immesso in un acquifero carsico durante condizioni idrologiche medie. Le concentrazioni di tracciante vengono rilevate nel tempo presso l’unica sorgente presente nell’area.

Calcolare:

•Quantità di tracciante uscita dal sistema (in g e % rispetto alla quantità immessa) e interpretare il risultato.

•Come sarebbe stata la quantità di tracciante rilevata in condizioni di piena ed in condizioni di magra?

Dati

Portata sorgente = 50 l/s Massa tracciante = 1kg

Diapositiva tratta dal corso “Hydrogeology and Management of Karst Groundwater Resources (MANKARST) – Neuĉhatel , Svizzera (Settembre - 2006)

Interpretazione di un test di tracciamento - Esercizio

Marne Calcari carsificati

Sorgente

Inghiottitoio – punto di iniezione del tracciante

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

0 5 10 15 20 25

Tempo dall'immissione (h)

Concentrazione mg/l

Un tracciante conservativo viene immesso in un acquifero carsico durante condizioni idrologiche medie. Le concentrazioni di tracciante vengono rilevate nel tempo presso l’unica sorgente presente nell’area.

Calcolare:

•Quantità di tracciante uscita dal sistema (in g e % rispetto alla quantità immessa) e interpretare il risultato.

•Come sarebbe stata la quantità di tracciante rilevata in condizioni di piena ed in condizioni di magra?

Dati

Portata sorgente = 50 l/s Massa tracciante = 1kg

Diapositiva tratta dal corso “Hydrogeology and Management of Karst Groundwater Resources (MANKARST) – Neuĉhatel , Svizzera (Settembre - 2006)

Soluzione:

Quantità di tracciante uscita = 135 g (13.5%)

Utilizzo dei traccianti in sistemi carsici

L’utilizzo dei traccianti artificiali negli acquiferi carsici è senza dubbio uno strumento indispensabile per individuare i limiti di una struttura idrogeologica e per comprendere il funzionamento di un dato sistema.

Esaminando le modalità di restituzione di un tracciante è infatti possibile raccogliere utili informazioni relative all’organizzazione della rete di drenaggio ed alla carsificazione dell’ammasso roccioso.

Un tracciante artificiale rappresenta un segnale che viene introdotto nell’acquifero e viene restituito alle emergenze in concentrazioni diverse e con intervalli di tempo più o meno lunghi. La velocità di flusso calcolata con i coloranti fornisce un dato abbastanza variabile e non determinante per comprendere il funzionamento di un dato sistema. I risultati ottenuti sono strettamente dipendenti dal regime idrodinamico con valori di velocità che possono quindi essere molto variabili nel tempo (anche due ordini di grandezza).

Differenze si riscontrano anche analizzando differenti parti del sistema con valori di velocità elevati nei collettori principali e risposte molto più lente indagando le vie di deflusso secondarie o la matrice.

È importante analizzare la geometria della curva di restituzione del tracciante alla sorgente per ottenere informazioni molto utili per comprendere il funzionamento di un dato sistema.

Sulla base della tipologia della rete di drenaggio la risposta sarà infatti molto diversificata tra un circuito e l’altro.

Utilizzo dei traccianti in sistemi carsici – risposta dei traccianti

Restituzione ad impulso unico

Curva caratterizzata da un picco principale piuttosto pronunciato, un aumento ed una diminuzione dei valori di concentrazione del tracciante piuttosto breve e condizionato dalla situazione idrodinamica al momento del test. Nei periodi con portate elevate la restituzione avviene infatti in tempi molto brevi (anche alcune ore), mentre in magra la restituzione può persistere alcuni giorni. Durante i periodi con portate basse è infatti probabile che vi sia una maggior dispersione del tracciante nei laghi e nelle condotte sifonanti. Tale restituzione è tipica dei sistemi a dreno dominante dove il tracciante indipendentemente dal punto di immissione, segue un unico percorso, prima di arrivare alla sorgente.

Da B. Vigna (2001)

Utilizzo dei traccianti in sistemi carsici – risposta dei traccianti

Restituzione ad impulsi multipli

È caratterizzata da una successione di picchi secondari dovuta ai diversi tragitti che il tracciante segue diffondendosi nella complessa rete di condotti della zona satura. Il tracciante giunge quindi alla sorgente in tempi piuttosto lunghi, seguendo numerose vie con differenti velocità di flusso e con una concentrazione piuttosto bassa, legata all’elevata dispersione nel reticolo freatico. Durante i periodi di piena è possibile misurare anche un arrivo più diretto, attivandosi percorsi più alti e con luci maggiori. Tale restituzione caratterizza i sistemi con rete a dreni interconnessi, con una notevole estensione della zona satura.

Da B. Vigna (2001)

Utilizzo dei traccianti in sistemi carsici – risposta dei traccianti

Restituzione dispersiva

Presenta un segnale che giunge all’emergenza in tempi molto lunghi e con concentrazioni molto basse e per lunghi periodi, tale da essere, a volte, non rilevabile strumentalmente in acqua ma solo con l’ausilio di captori che accumulano nel tempo il tracciante. Un simile comportamento evidenzia l’esistenza di una elevatissima dispersione del tracciante dovuta alla presenza di settori di acquifero caratterizzati da enormi volumi d’acqua immagazzinati. Le sostanze immesse si diffondono nella complessa rete di fratture e canalicoli, con moto laminare e velocità di deflusso molto lente. Comportamento tipico dei sistemi con rete a circolazione dispersiva.

Da B. Vigna (2001)

Test di tracciamento in acquiferi carsici – alcune osservazioni

Un tracciante immesso in un punto può raggiungere diverse sorgenti, ed inoltre i percorsi dei traccianti

possono incrociarsi

apparentemente.

Una delle possibili spiegazioni può essere legata alla complessità della rete di condotti carsici.

Diapositiva tratta dal corso “Hydrogeology and Management of Karst Groundwater Resources (MANKARST) – Neuĉhatel , Svizzera (Settembre - 2006) Da Ford & Williams

Test di tracciamento in acquiferi carsici – alcune osservazioni

Da ciò deriva la considerazione che la grandezza ed i confini di un sistema carsico possono variare in funzione delle condizioni idrologiche (regime di piena o regime di magra).

Un tracciante immesso in condizioni di magra può raggiungere differenti sorgenti o punti di recapito rispetto allo stesso esperimento effettuato in condizioni di piena.

Regime di magra Regime di piena

Diapositiva tratta dal corso “Hydrogeology and Management of Karst Groundwater Resources (MANKARST) – Neuĉhatel , Svizzera (Settembre - 2006)

Interazione tra condotti e matrice

Curve di restituzione Condizioni idrologiche

durante il test di tracciamento Condizione di equilibrio

Transizione: piena - magra Il tracciante viene immesso

nel reticolo di condotti.

Diapositiva tratta dal corso “Hydrogeology and Management of Karst Groundwater Resources (MANKARST) – Neuĉhatel , Svizzera (Settembre - 2006)

I tracciamenti

Giu 2018 Sett 2018 Lugl 2019

990,8 g