Traccianti

In idrologia e idrogeologia un tracciante è un qualsiasi tipo di sostanza o proprietà dell’acqua che può essere usata per seguire il percorso dell’acqua (superficiale o sotterranea).

Si usa distinguere tra:

• traccianti naturali: sostanze o proprietà chimico-fisiche naturalmente presenti in un corpo d’acqua; ad esempio: temperatura, salinità, isotopi dell’ossigeno, sostanza organica, torbidità;
• traccianti artificiali: sostanze o particelle che vengono immesse (volontariamente o accidentalmente) in un corpo d’acqua, ma che sarebbero naturalmente assenti (o presenti con un basso tenore di fondo).

Sono classificati nelle seguenti categorie o famiglie:

• prodotti chimici solubili
  • traccianti salini (NaCl, LiBr,…)
  • traccianti fluorescenti: coloranti (fluoresceina sodica, sulforhodamina, eosina) o sbiancanti ottici (tinopal, amino-G-acid, napthionato di sodio)
• particelle solide (batteri, pollini,…)
• isotopi stabili (acqua arricchita in 2H o 18O)
• isotopi radioattivi (3H, 14C, 36Cl, 131I,…)

I traccianti salini (salts) e i coloranti fluorescenti (fluorescent dyes) rappresentano le famiglie di più comune utilizzo, sia a livello di ricerca che di applicazioni pratiche.

Le altre famiglie sono utilizzate prevalentemente a scopo di ricerca scientifica, a causa di una maggiore complessità ed onerosità di applicazione e dell'esigenza di particolari analisi di laboratorio.

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Una prova di tracciamento usa un tracciante artificiale per seguire il flusso dell’acqua e si basa sul semplice principio di monitorare le possibili vie d’uscita della sostanza immessa in acquifero.

La prova consiste materialmente nell'immissione di una sostanza artificiale (il tracciante) all'interno di uno o più punti di accesso alle acque sotterranee e nella successiva ricerca della stessa sostanza presso altri punti di passaggio o recapito delle acque sotterranee, per la verifica del collegamento idrico sotterraneo. Attraverso il monitoraggio (campionamenti ripetuti nel tempo o utilizzo di strumentazione di campo per monitoraggio in continuo), si possono determinare i tempi d’arrivo e quindi le velocità.

• direzioni di flusso
• velocità di flusso
• parametri dell’acquifero:
  • conducibilità idraulica
  • dispersività
  • porosità efficace
• connessione idrogeologica/idraulica tra punti:
  • tra una sorgente di contaminazione ed un potenziale bersaglio
  • tra due falde idriche
• identificazione di perdite idriche:
  • da un invaso idrico artificiale
  • da sistemi fognari
• tenuta idraulica di sistemi sotterranei di confinamento delle acque:
  • barriera idraulica costituita da pozzi o trincee
  • barriere fisiche: diaframmi, palancole, impermeabilizzazioni, ...

Conducibilità idraulica (K): rappresenta la capacità di un corpo geologico a farsi attraversare dall’acqua, dipende sia dalle proprietà del corpo geologico, che dalle proprietà del fluido (viscosità e densità, che dipendono a loro volta da concentrazione di sali disciolti e temperatura). Ha le dimensioni di una velocità (m/s) e spesso viene indicata con il termine di permeabilità, sebbene non vada confusa con la permeabilità intrinseca (k), dipendente unicamente dalle proprietà del corpo geologico. Quando non diversamente specificato i valori di K utilizzati in idrogeologia si riferiscono alla conducibilità idraulica ed all'acqua a temperatura ambiente.

Curva di breakthrough (o curva di arrivo): è la curva concentrazioni-tempo (di forma gaussiana asimmetrica) che dimostra l'arrivo di un tracciante al punto di monitoraggio; per effetto della dispersione fisica del soluto in falda nelle tre direzioni dello spazio, in funzione del regime di moto, delle proprietà dell’acquifero e di quelle del soluto stesso, si crea un pennacchio (o plume) di soluto che arriva al punto di monitoraggio con una concentrazione variabile nel tempo ed i cui valori si distribuiscono su una curva, detta appunto breakthrough curve.

Dispersione cinematica (o meccanica): processo che avviene a diverse scale d’osservazione, in qualsiasi mezzo poroso, dovuto al fatto che le particelle di acqua fluenti nel sottosuolo seguono percorsi diversi a causa delle eterogeneità della matrice solida che ne devia il cammino e ne fa variare localmente la velocità: in pratica alcune particelle di acqua percorrono in uno stesso tempo distanze diverse con tragitti diversi (Fetter, 2008). Il processo è descritto dalla Dispersività, parametro intrinseco del mezzo poroso (espresso in unità di lunghezza).

Dispersione idrodinamica: include, oltre alla dispersione cinematica, il processo della diffusione molecolare, espresso dal parametro coefficiente di diffusione molecolare che diventa rilevante solo a basse velocità di flusso.

Il processo è descritto dall'Equazione del trasporto:

dove: D = coefficiente di dispersione idrodinamica (m²/s); α_L = dispersività longitudinale (m); V_L = velocità reale longitudinale di flusso lungo le vie di migrazione (m/s); α_H = dispersività orizzontale (m); V_H = velocità orizzontale di flusso (m/s); α_V = dispersività verticale (m); V_V = velocità verticale di flusso (m/s); |ν| è il modulo della velocità di filtrazione; D* = coefficiente di diffusione molecolare (m²/s).

Porosità cinematica o efficace (ne): quella frazione di porosità (n) in cui è contenuta acqua libera di muoversi e defluire secondo il gradiente idraulico dell’acquifero; la restante frazione è chiamata “capacità di ritenzione (Cr)” e contiene acqua “immobile” (n = ne + Cr). La porosità efficace, a differenza della conducibilità idraulica, non influenza la distribuzione del carico idraulico in un acquifero, ma è determinante sulla velocità dei fluidi nel sottosuolo con una relazione di proporzionalità inversa (v = K * i / ne); assume pertanto un significato molto importante nello studio della migrazione di inquinanti e traccianti in falda.

Behrens H., Beims U., Dieter H., Dietze G., Eikmann T., Grummt T., Hanisch H., Henseling H., Käss W., Kerndorff H., Leibundgut C., Müller-Wegener U., Ronnefahrt I., Scharenberg B., Schleyer R., Schloz W. & Tilkes F. (2001). Toxicological and ecotoxicological assessment of water tracers. Hydrogeology Journal, 9(3): 321–325.

Benischke R., Goldscheider N. & Smart C. (2007) Tracer techniques. In: Methods in karst hydrogeology. Taylor & Francis Eds., 2007.

Fetter C.W. (2008) Contaminant Hydrogeology. 2nd Edition, Waveland Press Inc., Long Grove, 500 pp.

Käss W. (1998). Tracing techiniques in geohydrology. Balkema editions.

Leibundgut C., Maloszewski P. & Külls C. (2011). Tracers in hydrology. Wiley.

Schudel B., Biaggi D., Dervey T., Kozel R., Müller I., Ross J.H. & Schindler U. (2002). Utilisation des traceurs artificiels en hydrogéologie – Guide pratique. Rapporti dell'UFAEG, Serie Geologia, N. 3, pp. 77.