Un modello dual-porosity per l’analisi dell’infiltrazione in mezzi porosi rigonfianti con reticoli di fratture

Simplification of heterogeneous soils by mean of dual porosity systems (based on different interacting regions) made possible the analysis of water infiltration mechanisms in unsaturated zone. Some dual-porosity/permeability models normally assume similar equations for both domains while others suppose different formulations for the two regions, using Poiseuille’s equation, or cinematic wave theory or Richards formulation. Most of existing literature models (dual-porosity, dual-permeability and multi-region models) don’t take account of shrinking-swelling dynamics of clayey soils that cause the closure of fractures and hold water flow. For this purpose, an “evolving” dual-porosity model has been pointed out, in which fractures behave like pipes subjected to progressive narrowing due to water content increase in the swelling matrix. In this paper the application of the model to loamy fractured soils and the corresponding results are provided.

Il flusso idrico nei mezzi porosi strutturati può essere de-scritto usando modelli a porosità o a permeabilità duale, in cui si individuano due regioni interagenti (matrice mi-croporosa e macropori o fratture) con proprietà idrauliche differenti. In questi modelli, l’analisi del mezzo può essere semplificata studiando separatamente i due domini come sistemi omogenei con caratteristiche proprie ma tenendo conto della loro interazione reciproca: il mezzo dual-porosity è dunque dato dalla sovrapposizione di questi due sistemi. Nelle ultime decadi sono stati sviluppati molti modelli di simulazione del flusso preferenziale nella zona insatu-ra: modelli relativamente semplici (a porosità singola) e modelli più complessi come quelli a porosità/permeabilità duale o a porosità/permeabilità multipla. La maggior parte dei modelli esistenti non tiene conto delle dinamiche di rigonfiamento-ritiro dei terreni argillosi che causano la chiusura delle fessure e ostacolano il flusso idrico. A questo scopo è stato costruito un modello a porosità duale “evolvente”, in cui le fessure si compor-tano come tubi di flusso soggetti a progressivo restringi-mento per aumento del contenuto d’acqua nella matrice rigonfiante. La fessura viene considerata come una parete bagnata con effetto di diffusione dell’acqua verso la matrice. Parte della portata di afflusso viene trattenuta dalla matrice per assorbimento laterale mentre parte passa, per effetto della gravità, attraverso le fessure che, richiudendosi per effetto del rigonfiamento del terreno, ostacolano il flusso idrico. Il trasferimento di acqua dalle fessure alla matrice è modellato attraverso l’equazione di Richards con l’introduzione di un termine di interazione mentre il processo di diffusione dell’acqua nella matrice è calcolato in funzione delle differenze di potenziale tra elementi adiacenti. Nel modello è stato poi considerato il caso della pre-senza, ad una certa profondità, di un livello a maggiore permeabilità che introduce gli effetti indotti dalla stratifi-cazione del terreno dando luogo alla formazione di una barriera capillare. Il modello realizzato necessita, come input, dei dati relativi alla geometria del sistema, delle proprietà idrauli-che della matrice secondo van Genuchten e Mualem e del valore di intensità di pioggia, per un totale di 10 parametri iniziali e fornisce, come output, la distribuzione dei contenuti d’acqua nella matrice istante per istante, le portate che attraversano le fessure e le quantità d’acqua che vengono assorbite lateralmente dalla matrice. Oltre a ciò, il modello fornisce i valori delle aperture delle fessure nel tempo, ricollegando ad essi le portate circolanti. L’applicazione del modello ad un terreno limoso fes-surato ha mostrato come, in caso di precipitazione inten-sa, il flusso verticale raggiunga in pochi minuti profondità notevoli (1,5 m e più) mentre nel caso di pioggia poco intensa è limitato agli strati più superficiali e avviene in tempi maggiori, a causa della diversa disponibilità di ac-qua e alla diversa diffusione nella matrice. Circa la chiu-sura delle fessure, nel caso di pioggia breve e intensa, è emerso un rigonfiamento degli elementi di terreno più o meno uniforme a cui corrisponde una chiusura costante della fessura. Piogge poco intense causano, invece, un rigonfiamento differenziato e irregolare localizzato in su-perficie.