Le interazioni acqua-terreno

Il terreno essendo un mezzo poroso può contenere acqua in quantità che dipendono dalla sua struttura e dalla sua tessitura.

L’acqua in un terreno può essere presente sia come acqua in movimento, sia come umidità ed è possibile distinguere fra moto attraverso mezzi saturi e moto attraverso mezzi insaturi

Nel primo caso il moto viene definito e dipenderà dalla conduttività idraulica, nel secondo caso dalla velocità di infiltrazione e dalla capillarità.

Analizzando le interazioni acqua-terreno è possibile comprendere come si comporta l’acqua in un certo terreno.

Tipi di distribuzione dell’acqua in un terreno

L’acqua in un terreno può ritrovarsi come:

• acqua igroscopica o di adsorbimento
• acqua pellicolare o di adesione
• acqua capillare sospesa/continua
• acqua libera o gravifica

Acqua igroscopica

Acqua pellicolare o di adesione

Acqua capillare sospesa/continua

Acqua libera o gravifica

*** sezione in costruzione ***

Il potenziale dell’acqua nel terreno (Ψ)

L’energia con cui con cui il terreno trattiene l’acqua, opponendosi al suo allontanamento, costante per ogni tipologia di terreno è chiamato potenziale idrico. Questa stessa energia è consumata dalla piante nel loro quotidiano assorbimento radicale. Il potenziale idrico è espresso di solito da un valore di pressione (P).

Dove F è la risultante di tutte le forze che si determinano nell’interazione delle particelle di terreno con l’acqua. s invece definisce il percorso dell’acqua all’interno del terreno lungo una direzione preferenziale.

Dal punto di vista analitico il potenziale è espresso:

• per i terreni saturi

Ψ = ψ₀ + ψ_π+ (ψ_h+ ψ_g) + (ψ_{T +} ψ_P + ψ_e ) = ψ₀ + ψ_π+ ψ_i + ψ_x 

• per i terreni non-saturi

Ψ = ψ₀ + ψ_π+ (ψ_m+ ψ_g) + (ψ_{T +} ψ_P + ψ_e ) = ψ₀ + ψ_π+ ψ_im + ψ_x 

dove:

• ψ₀ (potenziale di riferimento, per convenzione ψ₀ = 0)
• ψ_m (potenziale matriciale – sempre negativo – nullo se in condizioni sature)
• ψ_π (potenziale osmotico – sempre negativo – nullo se in terreni a bassa salinità)
• ψ_g (potenziale gravitazionale – sempre negativo – )
• ψ_h (potenziale piezometrico – sempre positivo – nullo se in condizioni non-sature)
• ψ_i = ψ_h+ ψ_g (potenziale idraulico per terreno saturo)
• ψ_im = ψ_m+ ψ_g (potenziale idraulico per terreno saturo)
• ψ_T (potenziale termico), ψ_P (potenziale di pressione o pneumatico), ψ_e (potenziale elettrico)
• ψ_x (somma dei potenziali dovuti a T, P e carica elettrica)

Il potenziale di riferimento (ψ₀)

Corrisponde al potenziale dell’acqua pura ad un H ed una T note con interfaccia aria-acqua orizzontale.

Il potenziale matriciale o capillare (ψ_m)

E’ dovuto alla pressione negativa esercitata dalla matrice solida del terreno sull’acqua adsorbita dai colloidi o trattenuta per capillarità. Il Ψm è anche una misura della tendenza della matrice ad ulteriori molecole d’acqua in condizioni di non saturazione. In condizioni di massima idratazione, ossia in condizioni di saturazione,  ψ_m = 0. 

Il potenziale matriciale (o capillare ψ_m ) in un terreno non-saturo è dato dato da:

Il potenziale osmotico (ψ_π)

E’ generato dalla forza con cui con cui un soluto lega l’acqua. Nell’acqua del terreno si trovano sempre disciolte molecole e ioni che esercitano forze di attrazione elettrostatica sulle sue molecole riducendone l’attività. E’ quindi il potenziale generato dalla presenza di sali in soluzione, ovvero dalla pressione osmotica.

Il potenziale osmotico è uguale alla pressione osmotica (π) cambiata di segno. Ovviamente si ha che in acqua pura ψ_π = 0

Potenziale gravitazionale (ψ_g) 

E’ la pressione che esercita il terreno nell’opporsi all’adsorbimento dell’acqua in virtù della forza gravitazionale. ψ_g concorre in misura trascurabile nel determinare il potenziale idrico.

Il potenziale termico, pneumatico ed elettrico (ψ_T ,ψ_P , ψ_e )

Ψ = ψ_m – ψ_π – ψ_g + ψ_n + ψ_{T +} ψ_P + ψ_e

ψ_g, ψ_n, ψ_{T ,} ψ_P, ψ_{e se si tiene conto solo del suolo, non vengono prese in considerazione. Quindi, ricordando che} ψ_{0 = 0, la relazione diventa:}

Ψ = ψ_m – ψ_π – ψ_h 

In terreni non saturi gli effetti piezometrici possono essere trascurati e quindi:

Ψ = ψ_m – ψ_π  

Questo potenziale in condizioni non sature è detto suzione

_{In condizioni di saturazione} 

*** sezione in costruzione ***

{\displaystyle \pi =-m\cdot i\cdot R\cdot T}{\displaystyle \pi =-m\cdot i\cdot R\cdot T}
dove

π è la tensione osmotica;
m è la concentrazione molare;
i è il fattore di van ‘t Hoff;
R è la costante dei gas (8,3144 J·mol−1·K−1);
T è la temperatura assoluta.

il potenziale di sommersione è dovuto alla pressione che ha l’acqua quando il terreno è saturo; in questo caso nel punto considerato si esercita una pressione positiva (rilevabile con un piezometro) dovuta sostanzialmente alla pressione idrostatica.

In terreno non saturo si deve compiere lavoro per rimuovere l’acqua dal terreno: il potenziale è quindi negativo. L’acqua tende naturalmente a muoversi da una zona di terreno molto umido, in cui il potenziale è quasi nullo, verso una zona in
cui il terreno è secco, con potenziale minore (valore fortemente negativo).
Il potenziale ψ viene espresso, in generale, come somma di quattro termini:
(10) ψ = ψg + ψp + ψo + ψn
−ψg è il potenziale gravitazionale, definito dalla posizione della particella all’interno del campo gravitazionale: ψg = gz
essendo g l’accelerazione di gravità e z la quota rispetto al riferimento;
− ψp è il potenziale di pressione, legato all’esistenza della matrice acqua-terreno: è causato dalle forze di attrazione
esistenti tra le particelle di terreno e di acqua, dalla presenza di pori e di superfici di separazione tra le varie fasi. Il
potenziale di pressione è una funzione continua dell’umidità ed è positivo in un suolo saturo e negativo in suolo
insaturo. Viene espresso in funzione della pressione h in m di colonna d’acqua: ψp = hg;
−ψo è il potenziale osmotico, dovuto alla presenza di sostanze disciolte nell’acqua, che è causa di una diminuzione di
potenziale rispetto alla condizione di acqua pura;
−ψn è il potenziale pneumatico dovuto alla presenza nel suolo di aria ψn = hag, essendo ha la pressione dell’aria in m di colonna d’acqua, che usualmente si considera costante con z ed uguale alla pressione atmosferica.
Se si moltiplica ψ per la densità dell’acqua ρ (kg/m3) si ottiene l’energia per unità di volume ψv (J/m3)
.
Se si trascurano la pressione osmotica e la pressione dell’aria (assunta=0) si ottiene ψv = ρg(z + h) e con un ultimo passaggio dividendo per il peso specifico si ottiene l’energia per unità di peso H (m): (11) H = z + h = z + p/ρg
essendo p la pressione dell’acqua in N/m2
. Quest’energia è chiamata anche, come è ben noto, quota o carico piezometrico o più semplicemente carico.
1.4.2 Umidità
Si definisce umidità del terreno la quantità di acqua contenuta nel terreno espressa in percentuale (di peso o di
volume) rispetto al campione secco. E’ in genere indicata con il simbolo U o con il simbolo θ.
L’umidità espressa in percento di volume è:
(12) Uv
=
Wl
W
× 100
mentre l’umidità espressa in percento di peso è
(13) Up
=
Pl
Ps
× 100
dal loro rapporto si ha:
11
(14)
Uv
Up
= γra
L’umidità in volume può anche essere espressa in mm/m. Infatti, se ci si riferisce alla superficie unitaria di 1 m2
,
a cui corrisponde un volume W = 1 m3 per ogni m di profondità di terreno, e si definisce il volume di acqua in esso
contenuta Wl
come prodotto dell’altezza h in mm di una lama d’acqua (uniformemente distribuita sulla superficie) per
l’area della superficie, risulta allora dalla definizione:
(15) Uv =
Wl
W(****
= h mm×m-1