Idrogeologia dei contaminanti: monitoraggio e modellazione

idrogeologia dei contaminanti

L’idrogeologia dei contaminanti è una disciplina scientifica che mira ad investigare la distribuzione e migrazione di contaminanti antropogenici in sistemi naturali di flusso sotterraneo. Si tratta di un campo di ricerca interdisciplinare, dove una forte interazione tra l’idrogeologia, la chimica organica, la microbiologia e l’ecologia è di fondamentale importanza. I principali strumenti di ricerca utilizzati in questo campo sono sia sperimentali (es. rilevamenti e monitoraggi in campo ad alta risoluzione per la parametrizzazione degli acquiferi ed il campionamento e analisi delle acque sotterranee, sorgenti, corsi d’acqua o materiali vegetali) sia basati sulla modellazione numerica.

Tra i principali temi di ricerca specifici si ritrovano:

  1.  la definizione dell’origine della contaminazione,
  2. lo studio delle dinamiche di evoluzione (trasformazione e migrazione) dei contaminanti entro una falda,
  3.  lo sviluppo di strategie efficaci per la caratterizzazione e protezione ambientale e la bonifica di acquiferi contaminati.

Presso il dipartimento BiGeA sono attualmente attive le seguenti linee di ricerca specifiche:

  1.  comportamento dei solventi clorurati (principalmente eteni clorurati) in acquiferi sedimentari porosi. Questa tipologia di contaminazione è presente diffusamente nel settore SE della pianura padana, a causa di smaltimento inadeguato di rifiuti industriali in discariche o sversamento accidentale presso impianti industriali. Tra i principali risultati ottenuti tramite questa linea di ricerca, è stata definita una forte correlazione tra l’accumulo di Cloruro di Vinile (VC) nelle acque sotterranee, quale contaminante altamente cancerogeno, e la presenza diffusa di depositi limo-argillosi ricchi in torba nella successione sedimentaria alluvionale superficiale (“swamp facies association” o facies di palude). Tali depositi funzionano come “reattori” biogeochimici per la declorurazione di PCE e TCE, causando produzione e accumulo di VC. Nel medesimo contesto idrogeologico, è stata investigata l’integrità degli acquitardi nei confronti di solventi clorurati in fase densa non acquosa (conosciuta come fase DNAPL – Dense Non-Aqueous Phase Liquid). Questo ha permesso di definire il grado di protezione fornito dagli acquitardi agli acquiferi sottostanti nel caso di contaminazione da solventi clorurati. La ricerca riguardante il comportamento dei solventi clorurati si basa sul campionamento di sedimento ed acqua ad alta risoluzione verticale, realizzato per mezzo di sistemi multilivello. Il campionamento di sedimento ed acqua sotterranea è affiancato a dettagliate ricostruzioni stratigrafico-sequenziali realizzate in collaborazione con il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Alessandro Amorosi (BiGeA);
  2. applicazione di tecniche isotopiche al fine di definire il responsabile della contaminazione in siti contaminati da solventi clorurati. I risultati ottenuti tramite questa linea di ricerca mostrano che il rapporto isotopico 13C/12C delle molecole degli eteni clorurati permette di definire se una contaminazione sia stata causata dallo smaltimento/sversamento di prodotti industriali piuttosto che da peci clorurate quali scarti di produzione derivanti dalla sintesi di clorometani. L’approccio è stato efficacemente applicato per la definizione della responsabilità della contaminazione nel caso del sito Caretti (Ferrara) ed è in via di applicazione nel sito di Bussi sul Tirino (Pescara);
  3.  utilizzo degli isotopi dell’acqua per la definizione della vulnerabilità intrinseca degli acquiferi alla contaminazione. La firma isotopica stabile dell’acqua sotterranea (18O/16O, 2H/1H) può essere impiegata per quantificare le aliquote di ricarica che raggiungono gli acquiferi a partire da diverse sorgenti, tramite la tecnica conosciuta come End-Member Mixing Analysis (EMMA). Nel contesto della pianura padana, dove il sistema idrogeologico è costituito da una serie di acquiferi sovrapposti a differente grado di confinamento, tale quantificazione della ricarica può essere tradotta in una valutazione della vulnerabilità dei diversi acquiferi. In particolare, ad un’elevata aliquota di ricarica verticale che raggiunge l’acquifero corrisponde un grado elevato di vulnerabilità dell’acquifero a sorgenti di contaminazione superficiale. Viceversa, ad un’elevata aliquota di ricarica laterale corrisponde un basso grado di vulnerabilità.
  4. ricerca di contaminanti organici volatili (in particolare etileni clorurati) in matrici vegetali, quali alberi ad alto fusto, al fine di caratterizzare indirettamente la contaminazione nelle matrici sotterranee (acqua e gas del suolo). La tecnica alla base della ricerca, vantaggiosa per la sua economicità e rapidità d’utilizzo, è chiamata phytoscreening. Parallela alla più nota phytoremediation, questa tecnica consiste nello sfruttare il potere assorbente delle piante ai fini della delineazione di plume di contaminazione sotterranea da composti organici volatili. Gli eteni clorurati sono rilevati tramite micro-carotaggi effettuati con un campionatore incrementale nel tronco degli alberi. I campioni vengono analizzati in laboratorio con metodi tradizionali per l’analisi di materiali solidi, quali suoli e rifiuti. Il livello di correlazione fra le concentrazioni riscontrate nelle matrici sotterranee e vegetali dipende da numerosi fattori ambientali. La presente ricerca analizza in particolare il contributo delle condizioni idrogeologiche che influenzano l’efficacia della tecnica al fine di una corretta delineazione della contaminazione sotterranea. La ricerca è in corso su oltre otto[MF1]  siti contaminati da etileni clorurati nell’area emiliano-romagnola.
     

Le quattro linee di ricerca specifiche appena descritte sono portate avanti in collaborazione con Helmholtz Center for Environmental Research UFZ - Department for Isotope Biogeochemistry (Leipzig, Germany), Institute of Groundwater Ecology - Helmholtz Zentrum München (Germany), G360 Centre for Applied Groundwater Research - School of Engineering - University of Guelph (Ontario, Canada), e l'Agenzia Regionale Prevenzione Ambiente ed Energia (ARPAE, Emilia-Romagna).

Pubblicazioni rilevanti (anni 2013-2020):

 

- Filippini M., Parker B.L., Dinelli E., Wanner P., Chapman S.W., Gargini A. (2020). Assessing aquitard integrity in a complex aquifer – aquitard system contaminated by chlorinated hydrocarbons. Water Research, 171: 115388.

- Filippini M., Amorosi A., Campo B., Herrero-Martìn S., Stumpp C., Nijenhuis I., Parker B.L., Gargini A. (2016) - Origin of VC-only plumes from naturally enhanced dechlorination in a peat-rich hydrogeologic setting. Journal of Contaminant Hydrology. DOI: 10.1016/j.jconhyd.2016.07.003

- Filippini M., Nijenhuis I., Kümmel S., Chiarini V., Crosta G., Richnow H. H., Gargini A. (2018): Multi-element compound specific stable isotope analysis of chlorinated aliphatic contaminants derived from chlorinated pitches. Science of The Total Environment, 640-641, pp. 153-162.

- Nijenhuis, I., Schmidt, M., Pellegati, E., Paramatti, E., Richnow, H.H., Gargini, A. 2013. A stable isotope approach for source apportionment of chlorinated ethenes plumes at a complex multi-contamination events urban site. Journal of Contaminant Hydrology, 153, 92-105.

- Wachniew P., Zurek A.J., Stumpp C., Gemitzi A., Gargini A., Filippini M., Rozanski K.,  Meeks J., Kvaerner J., Witczak S. (2016) – Towards Operational Methods for the Assessment of Intrinsic Groundwater Vulnerability: a Review. Critical Reviews in Environmental Sciences and Technology. DOI:10.1080/10643389.2016.1160816

- Filippini M., Stumpp C., Nijenhuis I., Richnow H.H. Gargini A. (2015) - Evaluation of aquifer recharge and vulnerability in an alluvial lowland using environmental tracers. Journal of Hydrology, 529, 1657-1668.