La misura delle proprietà idrauliche dei suoli nel laboratorio del CNR-ISAFOM

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1 Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO 4 5 Giugno Ercolano La misura delle proprietà idrauliche dei suoli nel laboratorio del CNR-ISAFOM Dr. Roberto De Mascellis

2 Il laboratorio di fisica ed idrologia dei suoli del CNR - ISAFOM Attività di misura e di supporto alle sperimentazioni di campo Preparazione dei campioni Misure ed analisi dei dati Controllo e calibrazione degli strumenti Autocostruzione e test di alcuni strumenti (tensiometri, coppe porose, sonde TDR, ) Allestimento di stazioni di misura automatiche Caratterizzazioni fisico - idrologiche dei suoli Curve di ritenzione idrica Curve di conducibilità idraulica Misure di infiltrazione Misure dei potenziali Misure dei contenuti d acqua Analisi dei processi di moto dei soluti Analisi granulometriche Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

3 Perché misurare le proprietà idrauliche? Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

4 Legge di Darcy estesa alle condizioni di non saturazione q = - k(θ) H Dove: q [LT-1] è la velocità di flusso k(θ) [LT-1] la conducibilità idraulica θ [-] il contenuto d'acqua volumetrico H [-] il gradiente nelle tre dimensioni del potenziale dell'acqua nel suolo, dove H=h+z è la somma fra il potenziale di pressione o matriciale h [L] e il potenziale geometrico z [L]. Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

5 Introducendo l'equazione di continuità: θ/ t = - q ed affiancandola alla legge di Darcy si perviene all'equazione generale del moto valida anche in condizioni di non saturazione: θ/ t = [K(θ) H] per processi di moto unidimensionali, assumendo h come variabile dipendente:): C(h) h/ t = / z [K(h) ( h/ z + 1)] (equazione di Richards) in cui C(h), la capacità capillare del mezzo, viene definita come dθ/dh. Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

6 La funzione di ritenzione idrica θ(h) θ stadio di entrata dell aria fase capillare fase dell adsorbimento 1.E-01 1.E+01 1.E+03 1.E+05 h cm Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

7 La funzione di ritenzione idrica Cassetta tensiometrica vasca Stakman Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

8 La funzione di ritenzione idrica Cassetta tensiometrica vasca Stakman Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

9 La funzione di ritenzione idrica Apparato di pressione di Richard Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

10 La funzione di ritenzione idrica data località campionamento tare altezze campione cilindro garza elast parafilm h1 h2 h3 h4 h5 PESATE data campione satu ro secco

11 La funzione di ritenzione idrica Ritenzione idrica e corrispondente distribuzione dei pori per un suolo sabbioso ed uno argilloso h = 2 σ cos γ / r ρw g 0.6 θ pdf argilla 0.4 sabbia sabbia 0.2 argilla E-01 1.E+01 1.E+03 1.E+05 1.E+07 1.E-01 1.E+01 1.E+03 1.E+05h 0,15/r 1.E+07 h cm r+ -h r- -h h cm

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13 La conducibilità idraulica alla saturazione Metodo a carico costante ΔH Ks = V L / A ΔT ΔH V = volume di acqua passata Δt = intervallo di tempo A = sezione del campione L = lunghezza del campione ΔH = carico imposto Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

14 Metodo a carico variabile Le leggi del moto dell acqua nel suolo: La conducibilità idraulica alla saturazione ks = ln (H1/H2) L / Δt

15 La funzione di conducibilità idraulica nel non saturo Metodo dell evaporazione di WIND Determinazione contemporanea della curva di ritenzione idrica θ(h) e della curva di conducibilità idraulica k(h) tensiometri Sistema di acquisizione Cella di carico

16 La funzione di conducibilità idraulica nel non saturo metodo di WIND Prova di evaporazione di WIND h (cm) tempo (min)

17 La funzione di conducibilità idraulica nel non saturo metodo di WIND Calcolo della curva di ritenzione In ogni istante della prova il contenuto d acqua medio nel campione è calcolato dalla differenza tra il peso acquisito ed il peso finale secco. Una prima stima della curva di ritenzione viene eseguita dai contenuti d acqua calcolati associati alla media dei potenziali misurati dai tensiometri attraverso un modello bi-modale proposto da van Genutchen. Vengono così stimati i contenuti d acqua nei comparti identificati dai tensiometri. La media dei contenuti d acqua stimati nei comparti, per ogni tempo della prova, viene comparata con il contenuto d acqua medio misurato. Una procedura iterattiva ha inizio attarverso la modifica dei parametri del modello van Genuchten generando nuovi set di dati di contenuti d acqua stimati e tensioni misurate, fin quando non si hanno significativi miglioramenti.

18 La funzione di conducibilità idraulica nel non saturo metodo di WIND Calcolo della curva di conducibilità Con i contenuti d acqua stimati nel tempo, nei diversi compartimenti, e i potenziali misurati, viene calcolata la funzione di conducibilità idraulica attraverso il metodo del profilo istantaneo, considerando un flusso alla base pari a zero. h z 0 θ L z1 z2 z int z b z

19 La funzione di conducibilità idraulica nel non saturo metodo di WIND Calcolo della curva di conducibilità Noti i potenziali, il gradiente medio è calcolato tra due compartimenti adiacenti a due tempi successivi di misura t 2 t1 dh dz z2 = t 2 z1 t1 dh dz z2 z1 + 1 z2 dθdz t 2 z2 zb Jw = t1 z1 2 dt z1 zb dθdz Applicando la legge di Darcy si giunge alla definizione delle relazioni k(h) e k(θ). k ( θ) = Jw dh dz θ = θ + θ + θ t1, z1 t1, z2 t 2, z1 t 2, z2 4 + θ

20 La funzione di conducibilità idraulica nel non saturo metodo di WIND Conducibilità idraulica idrica e corrispondente distribuzione dei pori per un suolo sabbioso ed uno argilloso k 1.E+00 1.E h 1.E-01 1.E+01 1.E+03 1.E+05 1.E+07 pdf 0.4 sabbia 1.E argilla argilla 1.E-06 1.E-08 sabbia 0 1.E-01 1.E E+03 1.E+05 1.E+07 1.E-10 r+ h 0,15/r r- -h

21 La funzione di conducibilità idraulica nel non saturo metodo di WIND Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

22 Le leggi del moto dell acqua nel suolo: La funzione di conducibilità idraulica nel non saturo metodo di WIND

23 La funzione di conducibilità idraulica nel non saturo metodo di WIND

24 Conducibilità idraulica nel non saturo Infiltrometria a tensione Associazione Italiana Pedologi CORSO BREVE PER L AGGIORNAMENTO TECNICO-SCIENTIFICO IN FISICA E IDROLOGIA DEL SUOLO

25 Grazie