Un team di ricercatori si è sviluppato un nuovo metodo a basso costo per il monitoraggio continuo e in tempo reale dell'inquinamento delle acque sotterranee. Lo sviluppo potrebbe fornire un impulso critico agli sforzi di bonifica "verdi" che riducono la contaminazione delle acque sotterranee senza influire negativamente sull'ambiente circostante.

Lo studio, intitolato "Monitoraggio in situ della contaminazione delle acque sotterranee utilizzando il filtro Kalman, "È il risultato di una collaborazione tra il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, gestito dall'Università della California, e il Savannah River National Laboratory.

La necessità di rimediare

Contaminazione delle acque sotterranee, che è quasi sempre il risultato di sostanze chimiche prodotte dall'uomo e contaminanti scaricati nell'ambiente, può causare una pletora di problemi per l'ambiente naturale e per le popolazioni umane residenti vicino alla zona interessata.

Oltre il 50 di acqua potabile negli Stati Uniti proviene dalle falde acquifere. È anche una delle più importanti fonti di acqua per l'irrigazione.

Le acque sotterranee contaminate, che siano il risultato di fracking, uso di pesticidi o sistemi settici difettosi, possono influenzare tutto, dalla sicurezza della tua acqua potabile alla qualità del cibo che mangi e alla salute delle popolazioni di molluschi circostanti.

La crescita del movimento ambientalista nell'ultimo mezzo secolo ha sensibilizzato l'opinione pubblica sugli effetti della contaminazione delle acque sotterranee. Questa maggiore consapevolezza si è tradotta in una grande spinta per ripulire - o riparare - le acque sotterranee contaminate.

"La bonifica delle acque sotterranee ha circa 60 anni di storia", ha affermato il ricercatore capo Haruko Wainwright, ricercatore presso Berkeley Lab, esperto in contaminazione delle acque sotterranee e analisi dei dati ambientali.

Difetti negli attuali metodi di bonifica

Sfortunatamente, il risanamento è costoso e difficile da fare senza causare involontariamente effetti negativi sull'ambiente. Di conseguenza, gli esperti di bonifica si sono sempre più allontanati dalla bonifica intensiva e dalla rimozione del suolo per perseguire strategie di bonifica più "verdi" o passive.

"Negli ultimi dieci anni, c'è un crescente riconoscimento che la bonifica intensiva non è efficace e può effettivamente danneggiare l'ambiente, perché utilizza molta acqua ed energia, produce rifiuti e CO2 e potenzialmente crea disturbi ecologici e inquinamento atmosferico ", ha affermato Wainwright .

“Il risanamento passivo o l'attenuazione naturale sono ora considerati più sostenibili e hanno benefici ambientali netti. Il monitoraggio delle acque sotterranee è fondamentale per garantire la sicurezza pubblica mentre vengono attuati questi approcci sostenibili. "

Come indica Wainwright, le strategie di bonifica più efficaci richiedono un monitoraggio accurato a lungo termine dell'inquinamento delle acque sotterranee. Ma ancora una volta, il monitoraggio a lungo termine è sia complesso che costoso.

"Il monitoraggio convenzionale consiste nel prelevare campioni di acqua ogni anno o ogni trimestre e analizzarli in laboratorio", ha affermato Wainwright. "Se ci sono anomalie o eventi estremi, potresti perdere i cambiamenti che potrebbero aumentare le concentrazioni di contaminanti o potenziali rischi per la salute."

Questo rappresenta una sfida: come è possibile monitorare continuamente i livelli di contaminanti a basso costo?

Il team di Wainwright ha trovato una soluzione.

Il nuovo metodo

"La nostra metodologia consente il monitoraggio continuo in situ [sul sito] utilizzando misurazioni proxy, in modo da poter tracciare il movimento del pennacchio in tempo reale", ha affermato in una nota. "L'analisi dei dati autonomi in situ può essere rapidamente analizzata in remoto utilizzando metodi di apprendimento automatico."

Il nuovo metodo prevede l'uso di sensori per tracciare le variabili di qualità dell'acqua che sono state determinate per essere indicatori affidabili dei livelli di contaminanti. Queste variabili di qualità dell'acqua differiscono in base al sito e agli specifici contaminanti delle acque sotterranee.

Per questo studio, i ricercatori hanno analizzato le falde acquifere del sito di Savannah River in South Carolina.

Il sito è un ex sito di produzione di armi nucleari; di conseguenza, i ricercatori hanno monitorato i livelli delle acque sotterranee dei contaminanti trizio e uranio-238.

I livelli di questi contaminanti non possono essere misurati direttamente, quindi si sono basati su misurazioni indirette, determinate come indicatori affidabili del trizio e dell'uranio-238. Specificatamente, hanno misurato l'acidità, o il pH, i livelli e la conduttanza specifica, che è una misura della conduttanza elettrica.

Queste misurazioni sono state quindi inserite in un filtro di Kalman, un algoritmo che può essere utilizzato per misurare le variazioni nello stato di un sistema nel tempo nei casi in cui lo stato del sistema non può essere misurato direttamente.

"Un filtro Kalman non è un filtro fisico ma piuttosto un algoritmo matematico in grado di integrare dati misti di serie temporali per effettuare stime", ha affermato Wainwright. "È comunemente usato in vari campi, come la previsione del traffico e il telerilevamento."

Qui, ha permesso ai ricercatori di creare una stima accurata delle concentrazioni di contaminanti.

Hanno quindi testato la loro tecnica contro i dati storici del sito del fiume Savannah. Hanno scoperto che il loro algoritmo ha fornito informazioni affidabili sul comportamento del pennacchio negli ultimi anni 20.

Ciò suggerisce che il metodo potrebbe essere efficace come strategia di monitoraggio a lungo termine per valutare la stabilità del pennacchio di un contaminante.

Significa anche che c'è meno bisogno di un regolare campionamento manuale delle falde acquifere e analisi di laboratorio, che sono costose, così come il tempo e la manodopera.

"Può agire come un sistema di allerta precoce - siamo in grado di rilevare cambiamenti improvvisi nei livelli di contaminanti", ha detto Wainwright in una nota. "Questi cambiamenti possono indicare la necessità di un intervento più o meno in termini di strategia di riparazione, portando idealmente a una pulizia migliore e più economica".

Inoltre, il metodo è anche adattabile.

Può essere usato per tracciare contaminanti sia superficiali che sotterranei dell'acqua e potrebbe potenzialmente essere modificato per tracciare un'ampia varietà di contaminanti, inclusi metalli, radionuclidi e composti organici, come arsenico, cromo e combustibili.

Tutto ciò che serve è trovare misurazioni in situ affidabili. Da lì, i livelli di contaminanti possono essere stimati utilizzando la stessa struttura.

È facile immaginare che questo metodo sia ampiamente utilizzato su siti in tutto il paese, ma prima deve essere esaminato e approvato dalle agenzie di regolamentazione.

Una volta che è, potrebbe significativamente aiutare gli sforzi di riparazione.

"Tecniche di monitoraggio migliorate sono essenziali per proteggere la salute pubblica e l'ecologia", ha detto Wainwright in una dichiarazione. "La nostra tecnica è un modo per monitorare tale riparazione sostenibile, in modo efficace ed economico".