I problemi della disponibilità e qualità dell'acqua di falda esigono una dettagliata conoscenza dei processi di fluidodinamica che hanno sede nella zona vadosa e nelle zone più profonde del sottosuolo. Gli studi sulla ricarica degli acquiferi, sul flusso preferenziale e sul trasporto dei contaminanti richiedono la stima diretta ed indiretta delle proprietà idrauliche dei mezzi filtranti anche di natura rocciosa. L'IRSA utilizza approcci sperimentali innovativi, sia in laboratorio, sia in campo per la sima dei parametri idrogeologici. In laboratorio si sperimentano nuovi dispositivi con impianti pilota, attraverso la realizzazione di prototipi, la calibrazione di nuove sonde e sensori, con l'obiettivo di individuare nuove metodologie e teorie che consentano di determinare le funzioni di conducibilità idraulica e di ritenzione idrica nei mezzi filtranti e nelle fessure rocciose, anche considerando i fenomeni di clogging. Attraverso indagini di campo che utilizzano tecniche innovative e non invasive di tipo geofisico, si sperimenta la possibilità di ottenere una distribuzione spaziale delle proprietà fisiche ed idrogeologiche del sottosuolo, anche quando esso è costituito da materiale lapideo. Lo studio dei flussi sotterranei e delle interazioni acque superficiali/sotterranee viene affrontato attraverso l'applicazione di tecniche di tracciamento, sia di tipo classico, basate sul monitoraggio diretto in pozzo di traccianti, sia di tipo indiretto o non invasivo attraverso prospezioni di tipo geoelettrico. Metodi per la stima dell'evaporazione da suolo nudo o vegetato, basati sulla misura dei gradienti verticali di temperatura e umidità dell'aria sono stati sperimentati alla scala di sito.

I contaminanti chimici o microbiologici intrappolati nel sottosuolo vengono rilasciati nel tempo secondo processi regolati da complicate cinetiche di adsorbimento/desorbimento, diffusione e decadimento o inattivazione. L'approfondimento dei processi biogeochimici in termini cinetici è richiesto per interpretare dati di campo e ipotizzare scenari futuri. I processi di attenuazione naturale dei contaminati possono essere sfruttati per il miglioramento delle qualità microbiologiche dell'acqua nei sistemi di trattamento a barriere multiple per riuso delle acque reflue. In tale ambito l'IRSA ha investigato l'efficienza di fenomeni naturali nella riduzione della carica microbica utilizzando moderni metodi biomolecolari per il rilevamento di patogeni. La concentrazione di inquinanti organici, oltre che da fenomeni chimico-fisici, è fortemente condizionata dalle comunità microbiche presenti nel sottosuolo che possono ridurre o rimuovere del tutto gli inquinanti attraverso processi degradativi. Studi in laboratorio ed in campo svolti dall'IRSA dimostrano il ruolo fondamentale delle comunità batteriche naturali presenti a diverse profondità nel rimuovere i fitofarmaci, come la terbutilazina, simazina, diuron, linuron. Gli studi mettono in evidenza il ruolo importante di fattori abiotici (temperatura, sostanza organica, pH, ecc.) sulla biodegradazione dei vari composti, sui loro tempi di persistenza e sulla probabilità che essi siano veicolati nelle acque sotterranee. L'IRSA ha implementato modelli matematici basati su algoritmi innovativi (approccio Lagrangiano) per simulare il flusso e le cinetiche di biodegradazione durante il trasporto dei contaminanti nel sottosuolo. I modelli, dopo opportuna calibrazione in campo, permettono di visualizzare i percorsi dei contaminanti nelle zone sature/insature, i tempi di residenza e le concentrazioni attese nei punti di prelievo, consentendo un utilizzo sostenibile delle risorse idriche oltre che interventi di recupero e messa in sicurezza delle fonti di approvvigionamento.

Il livello di fondo di una sostanza nelle acque sotterranee è definito come la sua concentrazione in assenza di alterazioni antropiche significative. La direttiva europea sulle acque sotterranee 2006/118/CE ed il recente D. Lgs. di recepimento n°30 del 2009, richiedono che lo stato chimico dei corpi idrici sotterranei venga valutato rispetto a valori soglia definiti. Questo processo richiede innanzi tutto la corretta individuazione dei corpi idrici, quindi la messa a punto di reti di monitoraggio delle acque sotterranee efficaci e rappresentative dei processi naturali e antropici che interessano il corpo idrico, la scelta dei parametri e delle sostanze da monitorare in funzione delle pressioni che insistono sulla falda, infine l'accertamento delle concentrazioni esistenti, della loro variabilità e della loro compatibilità rispetto ai valori soglia. Per i metalli ed altri contaminanti di origine naturale le Regioni possono modificare i valori soglia stabiliti alla scala nazionale alla luce delle condizioni e peculiarità idrogeochimiche presenti a livello locale che giustificano la presenza di valori di fondo differenti. Gli approcci metodologici sono generalmente ascrivibili a metodi statistici, in cui l'assenza di alterazioni antropiche viene individuata dall'analisi della distribuzione di probabilità delle concentrazioni della sostanza in esame, o sulla base di markers di attività antropiche quali i nitrati. L'IRSA ha recentemente sperimentato un percorso metodologico su un caso di studio nel Lazio settentrionale in cui vengono determinati dei possibili valori di fondo per arsenico, fluoro e vanadio. Attualmente sta collaborando con la Regione Lazio per la valutazione dei livelli di fondo naturali per quei corpi idrici su cui possa esservi contaminazione di origine antropica (discariche, siti industriali, attività zootecnica ed agricola intensiva, ecc).