Campionamento delle acque sotterranee (1/3): tecniche di spurgo e prelievo

Campionamento delle acque sotterranee: tecniche di spurgo e prelievo

Campionare le acque sotterranee non vuol dire semplicemente “riempire bottiglie”. L’acqua che arriva al laboratorio deve rappresentare quella della formazione nell’intervallo di interesse, e ogni passaggio, dal controllo del piezometro alla consegna del campione, può migliorare o compromettere questo risultato.

In questo articolo vediamo le operazioni preliminari, le principali tecniche di spurgo e campionamento, i criteri per scegliere il metodo e le regole per gestire il campione fino al laboratorio.

Perché il campionamento richiede attenzione

L’acqua presente nella colonna del piezometro può avere caratteristiche diverse da quella della formazione. Gli scambi gassosi, le reazioni chimiche e le interazioni con i materiali possono influenzarne la composizione. Il metodo va scelto per raggiungere l’acqua rappresentativa dell’intervallo di interesse, valutando anche l’applicabilità di sistemi senza spurgo.

Allo stesso tempo, un prelievo troppo aggressivo crea il problema opposto: abbassamenti marcati del livello, turbolenza, richiamo di acqua da livelli diversi dell’acquifero e mobilizzazione di particelle colloidali. Il risultato tipico è una sovrastima dei metalli (adsorbiti sulle particelle in sospensione) e una sottostima dei composti organici volatili.

La regola generale, comune alle principali linee guida, è quindi: disturbare il meno possibile l’acquifero e il campione.

Le operazioni preliminari

Qualunque tecnica si adotti, alcune operazioni precedono sempre il prelievo:

• Ispezione del punto di monitoraggio: stato della testa pozzo, del chiusino e della cementazione, presenza di acqua di ruscellamento, odori. Va annotato tutto.
• Misura del livello statico con freatimetro (o sonda d’interfaccia, se si sospetta la presenza di prodotto surnatante, LNAPL, o di fase densa, DNAPL). La misura va fatta prima di qualsiasi intervento sul pozzo e, se possibile, su tutti i piezometri del sito nella stessa giornata, per ricostruire la piezometria.
• Verifica della profondità del fondo e dei dati costruttivi (diametro, tratto fenestrato), necessari per calcolare i volumi e posizionare la pompa.
• Sequenza di campionamento: se ci sono più punti, si procede di norma dai piezometri meno contaminati (monte idrogeologico) verso quelli più contaminati, per ridurre il rischio di contaminazione incrociata.

Verifica della presenza di prodotto surnatante (LNAPL) all’interno del piezometro con l’interfaccia acqua-olio Solinst mod. 122

Le tecniche di spurgo e campionamento

Spurgo volumetrico tradizionale

È l’approccio storico: si estrae un volume d’acqua pari a un multiplo del volume contenuto nel piezometro (tipicamente da 3 a 5 volumi) e poi si preleva il campione. In genere si usano portate relativamente elevate e pompe sommerse o, nei pozzi poco profondi, bailer.

Vantaggi: semplice, veloce da spiegare, applicabile anche dove la strumentazione è limitata.

Limiti: può produrre grandi volumi di acqua di spurgo da gestire secondo il contesto e le disposizioni applicabili, può generare torbidità elevata e abbassamenti importanti, e il numero di volumi non garantisce di per sé che l’acqua estratta sia rappresentativa della formazione.

Nei piezometri a bassa produttività occorre una procedura specifica: lo svuotamento non è una soluzione universale e può alterare il campione. Tra le alternative previste da alcune procedure ci sono il campionamento passivo e lo spurgo fino allo svuotamento con prelievo durante il recupero del livello, che però espone il campione ad aerazione e va valutato con attenzione per volatili e parametri sensibili al redox. Portata, recupero del livello, tempi di prelievo e metodo scelto vanno definiti nel piano e documentati.

Verifica del livello di soggiacenza e dell’abbassamento della falda durante lo spurgo del piezometro

Low flow (minimal drawdown)

È una tecnica ampiamente utilizzata nel monitoraggio dei siti contaminati, quando le condizioni idrogeologiche ne consentono l’applicazione. La procedura è stata formalizzata dall’US EPA nel 1996 nel documento di Puls e Barcelona, Low-Flow (Minimal Drawdown) Ground-Water Sampling Procedures (EPA/540/S-95/504), ed è richiamata come riferimento da molti piani di monitoraggio e indicazioni delle agenzie italiane.

Il principio è semplice: la pompa viene posizionata all’interno del tratto fenestrato, solitamente a metà o in corrispondenza dell’orizzonte di interesse, e si pompa a una portata tanto bassa da mantenere l’abbassamento del livello minimo e stabile. Le portate tipiche sono dell’ordine di 0,1–0,5 L/min, ma il valore giusto dipende dalla permeabilità della formazione. È importante ricordare che “low flow” si riferisce alla velocità con cui l’acqua entra nella pompa dalla formazione, non alla portata in uscita in superficie.

Durante lo spurgo l’acqua passa in una cella di flusso (flow-through cell) dove una sonda multiparametrica misura in continuo:

• pH;
• conducibilità elettrica specifica;
• temperatura;
• potenziale redox (ORP);
• ossigeno disciolto;
• torbidità, con misura e posizione nel circuito secondo la procedura adottata.

Non tutti questi parametri sono necessariamente usati come criterio di stabilizzazione: la procedura EPA Region 1 (EQASOP-GW4), ad esempio, registra la temperatura ma non la impiega per decidere quando prelevare. Il controllo del livello con il freatimetro accompagna tutta la fase di spurgo, per verificare la risposta del piezometro.

Il campione si preleva quando i parametri si sono stabilizzati su letture successive (tipicamente tre misure consecutive a intervalli di qualche minuto). I criteri numerici e gli intervalli tra le letture devono essere ripresi dalla procedura effettivamente adottata, senza combinare soglie provenienti da documenti diversi.

A titolo di esempio, la procedura EPA Region 1 (rev. 2017) considera stabilizzati i parametri quando tre letture consecutive, a intervalli di circa 5 minuti, rientrano in queste variazioni:

Altri documenti adottano soglie e intervalli diversi: in campagna vale la procedura indicata nel piano approvato.

Le pompe più adatte sono quelle a portata regolabile e basso disturbo: pompe a vescica (bladder pump), pompe sommerse elettriche a velocità variabile, pompe peristaltiche (solo con livello dell’acqua entro circa 7–8 m dal piano di campagna e con cautela per i composti volatili, a causa della depressione che generano). Il confronto tra i diversi tipi di pompa, la sonda e la cella di flusso è sviluppato nella parte 2 della serie, dedicata agli strumenti.

Vantaggi: campioni meno torbidi e più rappresentativi, minore perdita di volatili, volumi di spurgo drasticamente ridotti, dati più confrontabili tra campagne.

Limiti: richiede strumentazione e operatori formati, tempi per punto talvolta lunghi, non è applicabile in formazioni a bassissima permeabilità dove anche a portate minime il livello continua a scendere.

Il metodo è codificato anche nella norma ASTM D6771 (Standard Practice for Low-Flow Purging and Sampling Used for Groundwater Monitoring, edizione D6771-21).

Tenere sotto controllo l’abbassamento “draw-down” durante le procedure di spurgo è una operazione di fondamentale importanza per garantire una elevata rappresentatività all’interno del piezometro dell’acqua di formazione

Campionamento passivo (no purge)

Negli ultimi vent’anni si sono diffusi i metodi passivi, che non prevedono spurgo. Si basano sull’assunto che, in molti contesti, l’acqua nel tratto fenestrato sia in equilibrio con quella della formazione grazie al flusso naturale della falda.

Si distinguono tre famiglie, secondo la classificazione della norma ASTM D7929 (Standard Guide for Selection of Passive Techniques for Sampling Groundwater Monitoring Wells, edizione 2020):

• campionatori a prelievo istantaneo (passive grab), dispositivi lasciati nel pozzo fino al ritorno all’equilibrio, che raccolgono il campione alla quota desiderata e si chiudono prima del recupero;
• campionatori a diffusione, come le PDB (passive diffusion bags) in polietilene, molto usate per i solventi clorurati;
• campionatori ad accumulo, che concentrano il contaminante su un sorbente nel tempo e restituiscono una concentrazione media.

Sul tema l’ITRC (Interstate Technology & Regulatory Council, USA) ha pubblicato diversi documenti tecnici con confronti tra metodi passivi e tradizionali.

Accanto ai campionatori passivi in senso stretto, un prelievo senza spurgo a una quota definita si può eseguire anche con dispositivi a prelievo puntuale. Il campionatore ad intervalli discreti Solinst 425 viene calato chiuso, si apre alla profondità scelta e si richiude prima del recupero, così il campione non si mescola con l’acqua della colonna sovrastante. I bailer in acciaio a doppia valvola Solinst 429 raccolgono l’acqua in corrispondenza della quota di prelievo, trattenendola tra le due valvole di ritegno durante la risalita. Rispetto ai campionatori passivi, l’inserimento di questi dispositivi nel pozzo può disturbare la colonna d’acqua: discesa lenta, quota di prelievo e modalità di travaso vanno quindi definite nella procedura.

Vantaggi: costi e tempi ridotti, nessuna acqua di spurgo, ottima ripetibilità in programmi di monitoraggio di lungo periodo.

Limiti: non tutti i dispositivi sono adatti a tutti i parametri (le PDB, ad esempio, non vanno bene per molti composti non volatili né per i metalli), servono studi di confronto sito-specifici con il metodo tradizionale prima di sostituirlo, e in Italia la loro accettazione va concordata caso per caso con l’ARPA competente. Le stesse verifiche valgono per i prelievi senza spurgo eseguiti con campionatori discreti o bailer.

Campionamento statico con bailer monouso o con campionatori ad intervalli discreti

Come scegliere il metodo

Non esiste una tecnica valida in assoluto. La scelta dipende da:

Per i requisiti degli enti, la parte 3 della serie riassume la normativa nazionale, i documenti ISPRA e SNPA e le procedure reperite nelle singole Regioni.

Un principio pratico: una volta scelto il metodo per un sito, è bene mantenerlo costante nel tempo (stessa pompa, stessa quota di aspirazione, stessa portata), altrimenti le variazioni nei risultati possono dipendere dalla procedura più che dalla falda.

Dal pozzo al laboratorio: gestione del campione

Un buon prelievo può essere vanificato da una cattiva gestione del campione. I punti chiave:

• Ordine di riempimento delle bottiglie: si parte dagli analiti più sensibili alla volatilizzazione (VOC), poi gli altri organici, infine metalli e ioni principali.
• VOC: vial in vetro con setto, riempite senza bolle d’aria e senza turbolenza, a portata ridotta. Per approfondire: COV, campionamento di qualità.
• Filtrazione: per i metalli disciolti si filtra in campo su membrana da 0,45 µm, preferibilmente con filtri in linea. La scelta tra frazione disciolta e altre frazioni analitiche deve seguire il piano approvato e il metodo di analisi: la filtrazione non è un passaggio da applicare indistintamente a tutti i campioni.
• Conservazione: contenitori, conservanti e tempi massimi di conservazione seguono la norma UNI EN ISO 5667-3 (Qualità dell’acqua – Campionamento – Conservazione e maneggiamento dei campioni d’acqua; l’edizione ISO più recente è del 2024) e le indicazioni del laboratorio. Temperatura, protezione dalla luce e tempi di consegna dipendono dagli analiti e dal metodo applicato.
• Controlli di qualità in campo: bianchi di campo e di trasporto, duplicati, bianchi dell’attrezzatura dopo la decontaminazione.
• Decontaminazione dell’attrezzatura tra un punto e l’altro, o uso di materiale monouso (tubi, filtri).
• Documentazione: scheda di campionamento con livelli, portate, parametri di stabilizzazione, orari, condizioni meteo, eventuali anomalie; catena di custodia fino al laboratorio.
• Acque di spurgo: pianificarne raccolta e gestione secondo le caratteristiche del sito e le disposizioni applicabili.

In sintesi

Campionare le acque sotterranee è un’attività tecnica che richiede di conoscere l’idrogeologia del sito, scegliere un metodo adatto agli obiettivi e agli analiti, applicarlo con rigore e documentarlo in modo che il dato sia difendibile davanti agli enti di controllo.

Il low flow, lo spurgo volumetrico e i metodi passivi rispondono a esigenze diverse e trovano applicazione se scelti in modo consapevole e concordati con l’autorità competente. In ogni caso, la qualità di una caratterizzazione o di un monitoraggio dipende tanto dalla precisione analitica del laboratorio quanto dalla qualità del campione che vi arriva.

Continua a leggere

• Parte 2 — Strumenti per il campionamento delle acque sotterranee: come scegliere la configurazione: freatimetri, pompe, sonde, celle di flusso, campionatori e packer.
• Parte 3 — Normativa, linee guida e riferimenti regionali: D.Lgs. 152/2006, ISPRA, SNPA, ARPA, US EPA e norme tecniche.

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Fonti e approfondimenti

• US EPA – Low-Flow (Minimal Drawdown) Ground-Water Sampling Procedures (Puls & Barcelona, 1996)
• US EPA Region 1 – EQASOP-GW4, Low Stress (Low Flow) Purging and Sampling
• US EPA Region 4 – Groundwater Sampling Operating Procedure (LSASDPROC-301)
• US EPA – Ground-Water Sampling Guidelines for Superfund and RCRA Project Managers (2002)
• ISPRA – Manuale per le indagini ambientali nei siti contaminati (APAT 43/2006)
• ASTM – D6771-21 e D7929-20
• ISO – ISO 5667-3:2024