Desafiando un paradigma: lo que aprendimos al comparar tres métodos comunes de muestreo de aguas subterráneas

Como resultado de este análisis, M&A obtuvo la aprobación regulatoria para usar métodos de muestreo de bajo flujo para el monitoreo a largo plazo, reduciendo los costos de muestreo en un 75 por ciento.

M&A recientemente tuvo la oportunidad de desafiar una práctica establecida desde hace mucho tiempo que los hidrólogos han aplicado al recolectar muestras de agua subterránea. Esta práctica, que ha sido impulsada en gran medida por los reguladores ambientales, consiste en "purgar" de tres a cinco volúmenes de agua de un pozo. La idea es asegurar que el muestreo capture agua de formación en lugar de agua que haya residido dentro del pozo. algunos investigadores[1] han cuestionado la eficacia de este enfoque, particularmente en acuíferos heterogéneos con concentraciones espacialmente variables de constituyentes químicos. Sin embargo, su simplicidad es convincente.

Desafortunadamente, el método de "purga" tiene muchos inconvenientes prácticos[2]. Por un lado, en muchos entornos, se debe desechar el agua de purga, lo que puede resultar costoso. Además, la purga puede requerir una cantidad significativa de tiempo, otro factor que aumenta el costo. Otra limitación más es el impacto de la purga en los cabezales debido al gran volumen de agua que hay que eliminar; esta consecuencia no deseada puede complicar los esfuerzos para comprender las direcciones y tasas de flujo en un sistema de agua subterránea. Estas limitaciones han llevado al desarrollo de enfoques de muestreo alternativos, como el método de purga de extracción mínima de "flujo bajo".[3]; la HidraManga^TM método (GeoInsight), el Muestreador instantáneo (ProHydro, Inc.); y muestreadores de bolsa de difusión pasiva, entre otros. Cada uno de estos métodos toma muestras de diferentes zonas del acuífero.

Comparación de los métodos de purga, flujo bajo e HydraSleeve

Para evaluar el potencial de ahorro de costos asociado con el monitoreo a largo plazo, M&A comparó tres métodos de muestreo (purga, flujo bajo e HydraSleeve) en una mina cerrada en el oeste de EE. UU. Se recolectaron muestras de 35 pozos completados en estratos sedimentarios que van desde arenisca fracturada a lutita, donde las conductividades hidráulicas reportadas oscilaron entre menos de 0,001 y más de 400 pies/día y los espesores saturados oscilaron entre 4 y 170 pies. No todos los pozos penetraron completamente en el acuífero. Las muestras se analizaron para componentes comunes (TDS, cloruro, sulfato, bicarbonato como HCO₃, calcio, magnesio, potasio, sodio, carbonato como CO₃) y metales traza (uranio, molibdeno, selenio y arsénico).

Curiosamente, los datos generalmente mostraron una buena concordancia entre los métodos de muestreo en analitos y pocillos. Aunque los resultados difirieron entre los métodos para muestras individuales, ningún método produjo resultados con un sesgo alto o bajo constante. Se encontró que las desviaciones relativas eran heteroscedásticas: eran significativamente mayores entre las muestras de menor concentración que entre las muestras de mayor concentración. Además, los metales traza tenían desviaciones relativas más grandes que los componentes comunes y los parámetros de rutina. También encontramos que la conductividad hidráulica, la longitud de la pantalla saturada y el volumen total del pozo no controlaban significativamente la comparabilidad entre los métodos de muestreo, en contra de algunas pautas reglamentarias.[4].

análisis estadístico

Realizamos una serie de pruebas de signos para evaluar la hipótesis de que los resultados de las siguientes muestras pareadas serían iguales para cada analito (tabla 1):

• Purga estándar y caudal bajo (SP-LF)
• Purga estándar e HydraSleeve (SP-HS)
• Bajo flujo e HydraSleeve (LF-HS)

Tabla 1: Valores p de la prueba de signos

Los valores inferiores a 0,05 indicaron que los pares de muestras no eran comparables en el nivel de confianza 95%. El análisis encontró que los métodos eran comparables para 28 de 36 pruebas de signos. Siete de las ocho pruebas que mostraron diferencias involucraron el método HydraSleeve, lo que indica que las muestras de HydraSleeve son menos comparables con las recolectadas usando los métodos de purga y flujo bajo.

Solo las muestras de arsénico mostraron diferencias significativas entre los resultados de los métodos de purga y de flujo bajo. Aunque las diferencias fueron significativas para el arsénico entre los tres pares de métodos de muestreo, la purga generó consistentemente concentraciones más altas que el flujo bajo o HydraSleeve. Esto puede reflejar las condiciones hidrogeológicas del sitio; durante la perforación de algunos pozos se observó pirita en la litología. Cuando la pirita se oxida, como puede ocurrir durante la purga, se sabe que libera arsénico en las aguas subterráneas.[5]. En este caso, el muestreo de purga podría arrojar concentraciones de arsénico erróneamente altas.

Lecciones aprendidas

• Los costos de muestreo pueden diferir sustancialmente según el método utilizado; los factores significativos incluyen el tiempo de purga, el volumen de aguas residuales generadas y los costos iniciales y recurrentes del equipo.
• Cada método de muestreo extrae agua del acuífero (o partes del acuífero) de manera diferente, lo que podría perturbar las aguas subterráneas de diferentes maneras.
• La comparabilidad de los métodos de muestreo no es necesariamente predecible; puede ser necesario un análisis específico del sitio para determinar la comparabilidad entre los métodos.
• Los estudios comparativos pueden demostrar que los métodos de muestreo menos costosos y/o de menor impacto son aceptables.

Sobre los autores

Tim Bayley, Ph.D., se unió a M&A en 2008 y ahora lidera nuestro equipo de modelado de simulación dinámica. Se especializa en estadística aplicada, modelado numérico y modelado probabilístico para soporte de decisiones, análisis de riesgos y optimización. Tim ha desarrollado numerosos modelos probabilísticos tanto en entornos de simulación dinámica como numéricos (flujo y transporte). Se enfoca principalmente en los sectores de minería, energía y medio ambiente.

Colin Kikuchi, Ph.D., se unió a M&A en 2014, aportando experiencia en hidrología cuantitativa y economía de recursos. Se especializa en modelado de flujo de agua subterránea, predicción de incertidumbre para simulaciones hidrológicas, análisis de interacciones de agua subterránea/agua superficial y diseño de redes de monitoreo hidrológico.

Referencias

Dowling, CB, Poreda, RJ, Basu, AR, Peters, SL y Pradeep, KA, 2002, Estudio geoquímico de los mecanismos de liberación de arsénico en las aguas subterráneas de la cuenca de Bengala, Water Resources Research 38:9

Kearl, PM, Korte, NE, Stites, M. y Baker, J., 1994, Comparación de campo de micropurga frente a muestreo de agua subterránea tradicional, Supervisión y remediación de aguas subterráneas 14:4

Puls, RW, y Barcelona, MJ, 1996, Procedimientos de muestreo de agua subterránea de flujo bajo (descenso mínimo), EPA/540/S-95/504, Problema de agua subterránea, Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., Oficina de Residuos Sólidos y Respuesta a Emergencias , Washington DC

Savoie, JG y LeBlanc, DR, 2012, Comparación de métodos de muestreo sin purga y con bombeo para monitorear concentraciones de compuestos relacionados con artefactos explosivos en aguas subterráneas, Camp Edwards, Reserva Militar de Massachusetts, Cape Cod, Massachusetts, 2009–2010, Servicio Geológico de EE. UU. Informe de investigaciones científicas 2012–5084

Shanklin, DE, Sidle, WC y Ferguson, ME, 1995, Muestreo de flujo bajo con micropurga de agua subterránea contaminada con uranio en el Proyecto de gestión ambiental de Fernald, Supervisión y remediación de aguas subterráneas 15:3

Yeskis, D. y Zavala, B., 2002, Directrices de muestreo de aguas subterráneas para gerentes de proyectos de Superfund y RCRA, EPA 542-S-02-001, Documento temático del Foro de aguas subterráneas, Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., Oficina de Desechos Sólidos y Respuesta de emergencia, Washington, DC

[1] Por ejemplo, Kearl et al., 1994; Shanklin et al., 1995

[2] Kearl et al., 1994
[3] Puls y Barcelona, 1996
[4] Ej., Yeskis y Zevala, 2002
[5] Dowling et al., 2002