Conducibilità Idraulica dei Terreni: Definizione e Misura

Le proprietà fisiche dei suoli condizionano profondamente il rapporto tra suolo, acqua e piante. Da queste proprietà dipendono crucialmente la capacità del suolo di trattenere o trasmettere l’acqua, la funzione di sostegno per le piante, il supporto alle infrastrutture, la promozione dell’attività biologica e l'influenza sui cicli dei nutrienti e sulla fertilità del suolo.

Le proprietà fisiche dei suoli si rivelano indicatori preziosi delle diverse funzioni svolte dal suolo stesso. Esse possono essere efficacemente impiegate per implementare modelli di stima e valutazione del movimento dell'acqua all'interno del sistema complesso suolo/falda/acqua superficiale.

A seconda degli indicatori considerati, le proprietà dei suoli possono essere determinate in campo, in laboratorio, oppure stimate attraverso l'ausilio di pedofunzioni o di matrici di riferimento.

Principali Proprietà Fisico-Idrologiche del Suolo

Tessitura
Struttura
Conducibilità idraulica satura (Ksat)
Consistenza
Densità apparente
Capacità d’acqua disponibile (AWC)

Tessitura

Le particelle che compongono il suolo possono essere suddivise in categorie dimensionali, note come frazioni granulometriche. Esiste una notevole variabilità nelle dimensioni delle particelle, che spazia da quelle più grossolane (con diametro superiore a 2 mm), che costituiscono lo scheletro, a quelle che formano la terra fine, con dimensioni comprese tra 2 millimetri e qualche decimo di micron (millesimo di millimetro). La terra fine si suddivide ulteriormente in sabbia (da 2000μ a 50μ), limo (da 50μ a 2μ) e argilla (<2μ). Per tessitura s’intende la ripartizione percentuale della terra fine.

Il sistema di classificazione adottato segue lo schema proposto dal Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti d’America (Soil Survey Division Staff, 1993), dove le diverse combinazioni di sabbia, limo e argilla vengono raggruppate in classi tessiturali.

La tessitura influenza il comportamento fisico e chimico dei suoli. Ai fini delle interpretazioni ingegneristiche e agronomiche, la dimensione delle particelle è un fattore determinante, influenzando le qualità idrologiche dei suoli e guidandone la classificazione. Fra le proprietà del suolo influenzate dalla tessitura ci sono il drenaggio, la capacità di trattenere l’acqua, l’aerazione del suolo, la suscettività all’erosione, il contenuto di sostanza organica e la capacità di scambio cationico.

Struttura

La struttura rappresenta l'organizzazione delle particelle granulometriche in aggregati che presentano forme distintive e facilmente identificabili. Questi aggregati possono manifestarsi in forma laminare, granulare, angolare o prismatica. In alcuni casi, il suolo può essere privo di struttura, presentando singoli granuli di sabbia o masse solide senza aggregati definiti.

La struttura si sviluppa a seguito del continuo alternarsi di cicli di gelo e disgelo, durante le transizioni tra stati umidi e secchi, nonché attraverso l'attività dei microorganismi e la cementazione operata dall'argilla, dalla sostanza organica e dai composti di ferro e alluminio. La struttura è importante in quanto:

Aumenta l’infiltrazione dell’acqua, riduce lo scorrimento superficiale e l’erosione ed aumenta l’acqua disponibile per le piante;
Migliora l’emergenza delle piante, la crescita delle radici e la profondità di radicazione;
Crea pori grandi e continui che aumentano la permeabilità.

Conducibilità Idraulica Satura (Ksat)

Per conducibilità idraulica satura (Ksat) del suolo s'intende la capacità del suolo di trasmettere l’acqua quando questo è in condizioni di saturazione. Viene espressa in cm/h. La conducibilità idrica satura è una caratteristica importante in quanto indice della facilità con cui il suolo si lascia attraversare dall’acqua.

Dipende dalle proprietà sia del mezzo poroso (geometria dei pori) che del fluido (viscosità e densità) che lo satura. Se la Ksat è alta l’acqua si muove velocemente, se bassa l’acqua si muove lentamente.

La Ksat è uno dei parametri utilizzati per la descrizione del comportamento idrologico dei suoli (permeabilità, infiltrazione, bilancio idrico, gruppi idrologici). I gruppi idrologici indicano il comportamento potenziale dei suoli nel generare scorrimento superficiale dell’acqua.

I fattori che influenzano la Ksat sono:

La tessitura: le dimensioni dei pori diminuiscono con le dimensioni delle particelle e conseguentemente suoli a tessitura fine sono meno permeabili;
La presenza di sostanza organica: favorisce la struttura del suolo e aumenta la stabilità degli aggregati;
La struttura: è relazionata alla continuità dei pori, un suolo ben strutturato è più permeabile di un suolo poco strutturato;
La presenza di canali formati dalle radici o dall’attività biologica;
Le dimensioni e la continuità dei pori: tanto più i pori sono continui e sufficientemente grandi da permettere il passaggio di acqua ed aria, tanto più l’acqua si muove velocemente.

Consistenza

La consistenza descrive la resistenza di un suolo, a diversi stadi di umidità, agli sforzi meccanici o alla manipolazione. Esprime le forze coesive ed adesive che tengono insieme le particelle (plasticità e adesività). La consistenza è influenzata dalla quantità e dal tipo di argilla presente nel suolo ed è un indicatore della propensione di un suolo al compattamento, alla formazione di croste e strati cementati che creano problemi di ristagno idrico, di emergenza delle plantule e nella crescita delle radici.

I principali fattori che influenzano la consistenza sono il contenuto idrico, la tessitura e la densità del suolo.

Densità o Massa Volumica Apparente

La densità esprime la massa del terreno riferita all'unità di volume e si esprime in g/cm³. Si distingue fra la densità reale, che prende in considerazione solo il volume della frazione solida, e la densità apparente, che considera anche la porosità. La densità apparente è sempre minore di quella reale e può cambiare sensibilmente in relazione alla tessitura, alla sostanza organica, al contenuto di umidità, alla struttura del suolo.

Questo parametro influenza le applicazioni ingegneristiche e la crescita delle piante. Viene utilizzato per calcolare il potenziale di restringimento/rigonfiamento delle argille, la capacità di acqua disponibile, la porosità totale e anche la conducibilità idraulica satura. E’ utilizzato per convertire misure in base al peso in misure in base al volume (es. passaggio dal contenuto di Carbonio organico % in Mg/ha). Inoltre la densità apparente è un indicatore della facilità con cui le radici possono estendersi all’interno del suolo.

Capacità di Acqua Disponibile (AWC)

E’ la quantità di acqua disponibile per le piante quando il suolo si trova alla capacità di campo. Viene espressa in cm d’acqua per ogni orizzonte o strato di suolo ed è la differenza fra il contenuto d’acqua alla capacità di campo e quello al punto di appassimento. E’ un importante fattore per la scelta e gestione di un impianto di irrigazione, di un sistema di drenaggio, per prevedere la disponibilità di acqua per le piante e quindi per la scelte delle colture agrarie, nonché per stimare le produzioni agricole.

Questa proprietà dipende dal contenuto di sostanza organica, dalla tessitura, dalla densità apparente e dalla struttura.

Metodi di Misura della Conducibilità Idraulica

La conducibilità idraulica, indicata anche con il termine di permeabilità, può variare notevolmente, e può essere molto superiore a quella ricavata con una prova di laboratorio.

Esistono numerosi metodi per determinare la K di un terreno saturo, ognuno con i suoi vantaggi e svantaggi e basato su ipotesi esemplificative. Le prove K, più significative delle prove di laboratorio, interessano piccole porzioni di acquifero, rispetto alle prove di portata, ma hanno il vantaggio di minori costi esecutivi e maggiore facilità di esecuzione. In molte situazioni queste prove richiedono anche la determinazione, per altra via, della porosità efficace.

Gran parte della teoria che sta alla base della interpretazione dei dati, prevede situazioni ed ipotesi che non sempre sono rispettate nella realtà. Questo ha comportato l'elaborazione di una gran quantità di procedure e formule empiriche, ognuna delle quali andrebbe applicata in situazioni ben definite sulla base di un modello idrogeologico locale. La conseguenza è la naturale difficoltà e confusione che si può presentare a chi applica per la prima volta tali procedure.

In linea generale il metodo consiste nel provocare artificialmente un aumento od una rapida diminuzione del livello d'acqua in un pozzetto esplorativo e nel misurare il graduale ritorno al livello statico iniziale. Le misure si possono fare con un freatimetro o con un sensore automatico.

Slug Test

Nei paesi anglosassoni le prove sono chiamate "slug tests" e la variazione di livello è ottenuta inserendo od estraendo un corpo cilindrico pieno, nel tubo di rivestimento. Il metodo è diventato molto popolare a partire dagli anni '80 soprattutto negli studi di bonifica degli acquiferi. In questo tipo di indagini è spesso pericoloso o proibito scaricare in superficie le acque provenienti da una prova di portata ed il ricorso alle prove di permeabilità in pozzetto può costituire la soluzione del problema.

Lo slug test è utilizzato per calcolare velocemente (10-20 min) il parametro conducibilità idraulica, sia in acquiferi freatici che artesiani. Un cilindro appesantito, di volume noto, è calato velocemente in un pozzetto per spostare un uguale volume di acqua (2). Il cilindro rimane in posto fino al raggiungimento dell'equilibrio tra il livello d'acqua nel piezometro e quello nell'acquifero(3). A questo punto il cilindro viene sollevato sopra il livello statico (4) che risale lentamente al valore di inizio prova.

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