Caratteri fisici e proprietà idrologiche della “Zona Insatura”

Un terreno sciolto, da un punto di vista fisico e idrogeologico è generalmente considerato come un sistema di tubi capillari costituiti da spazi non occupati dalla fase solida detti vuoti. Questi, in condizioni naturali, sono disponibili ad ospitare sia una fase liquida che una gassosa, acqua ed aria rispettivamente, rendendo il mezzo in condizioni naturali un perfetto sistema bifase.

Parametri quali porosità e saturazione sono necessari per descrivere le caratteristiche di un mezzo e ottenere il profilo di distribuzione verticale dell’acqua naturalmente contenuta all’interno dello stesso. In tal senso è possibile discriminare all’interno di un suolo tre differenti settori ciascuno con un differente grado di saturazione (θ_w) compreso tra un valore minimo e massimo (θ_r e θ_s):

• zona insatura o aerata: i pori tra i granuli di terreno sono parzialmente riempiti con acqua o da liquido che filtra lentamente verso il basso per gravità, il restante spazio dei pori libero dall'acqua è occupato dall'aria. (θ_w<1≡θ_r)

• zona di transizione. La saturazione è intorno al 75% (θ_w≤1). È posta al centro della zona insatura; in essa le acque circolano solo verso la falda.

• frangia capillare (θ_w=1≡ ). È la zona situata immediatamente al di sopra della θ_s zona satura (superficie piezometrica) ed ha con essa un legame stretto (Bear, 1972; de Marsili, 1982). I pori sono parzialmente riempiti d'acqua ma la pressione della stessa è inferiore a quella atmosferica. La frangia capillare presenta spessori molto diversi a seconda della granulometria dei terreni: qualche centimetro per le ghiaie fino a un paio di metri per i limiti argillosi e le argille. Il movimento dell'acqua è essenzialmente verticale con componente verso il basso dovuta a gravità e componente verso l'alto dovuta a principalmente alle forze capillari.

Alla base della frangia capillare è localizzata la zona satura o acquifero; in essa i pori tra i granuli di terreno sono tutti occupati dall'acqua di falda che si muove per moto

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proprio; la pressione dell'acqua aumenta con la profondità e il livello dove questa è uguale alla pressione atmosferica, rappresenta il livello della superficie freatica.

La porzione di terreno così rappresentabile, ad esclusione della parte interessata dalla falda acquifera, va sotto il nome di “Zona Insatura” ed è nota come la regione compresa tra il piano campagna e la superficie piezometrica (Stephens, 1996) (Fig. 3.1).

Figura 3.1 - Rappresentazione della Zona Insatura

Nella zona insatura l'acqua si muove attraverso meccanismi quali capillarità e gravità all’interno dei pori, riempiti da aria, acqua ed eventualmente da altri fluidi sottoposti ad una sotto pressione con valori negativi ed inferiori alla pressione atmosferica. Tale sottopressione, maggiore della forza di gravità, lega i fluidi alle particelle di suolo, ed i valori di pressione misurabili lungo la parte superiore della frangia capillare sono detti di “suzione critica”; essi sono corrispondenti ai valori di pressione necessari a provocare il parziale svuotamento dei pori stessi. La forza peso e di attrazione elettrostatica agiscono sui fluidi contenuti all’interno di un suolo, soprattutto in prossimità dei cristalli argillosi; le forze di tensione superficiale sono responsabili del fenomeno di risalita capillare per mezzo del quale l’acqua si muove in senso verticale all’interno della rete costituita dai pori, dalla zona di completa saturazione verso quella non satura.

È dunque evidente come questi aspetti, assieme alla dimensione e distribuzione dei pori, controllino la distribuzione verticale dei fluidi nei mezzi porosi, definendo l’estensione dei settori in cui un suolo può essere schematizzato.

Dimensione dei pori ridotte determinano una risalita dei fluidi di ritenzione all’interno del suolo molto più rapidamente di quanto si verifichi per una dimensione dei pori maggiore; pori di grandezza maggiore drenano molto più facilmente di pori di

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dimensioni minori. È evidente come detto in precedenza che la distribuzione e dimensione dei pori influenza in modo inequivocabile la velocità con cui si raggiungono all’interno del suolo i livelli di saturazione residua o totale.

Ne consegue che vi sia un differente comportamento dei suoli soggetti a processi di drenaggio ed imbibizione da parte di fluidi naturalmente presenti nel terreno o introdotti in esso dall’uomo (Fig. 3.2).

Figura 3.2 - Ubicazione della Zona Insatura all’interno di un sistema naturale ed interazioni con l’ambiente circostante, per fenomeni di origine antropica e naturali.

Quanto sopra rende chiara la necessità di comprendere ed analizzare il comportamento dei fluidi e attraverso uno studio delle caratteristiche del suolo all’interno della Zona

Insatura, nell’ottica della definizione dei meccanismi di flusso all’interno della stessa

come pure quelli relativi a flussi tra contaminanti e superficie piezometrica. Condizioni come acquiferi non confinati, zone sottostanti corsi d’acqua o tutte quelle aree soggette ad infiltrazione di acque meteoriche o legate a fenomeni quali allagamenti o inondazioni, rappresentano casi comuni in cui anche in condizioni naturali si assiste a variazioni del grado di saturazione di un suolo, proprio nel settore della Zona Insatura. Ciò si verifica anche per l’intervento antropico con immissioni di contaminanti nei suoli e opere che destabilizzano le condizioni di equilibrio naturale. Tutto ciò ha ripercussioni immediate sulla Zona Insatura, che può essere considerata il nodo centrale nello studio delle problematiche inerenti le proprietà fisiche ed idrologiche dei suoli nonché nel monitoraggio delle aree soggette al rischio di inquinamento della falda.

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