L’acqua nei suoli e nel sottosuolo L’effetto del bedrock e dei macropori

Riccardo Rigon

J. S

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R. Rigon, C. Lanni

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CAPITOLO 5. IL BACINO DI PANOLA

Figura 5.2: Rappresentazione della profondita del suolo del pendio di Panola.

costante su un campione prelevato a 10 cm di profondita, risulta pari a 64 [cm/h]; per cio che concerneil valore della conducibilita idraulica a saturazione del bedrock, non esistono misure dirette e↵ettuatesu campioni prelevati in sito; tuttavia si stima che il suo valore sia 2-3 ordini di grandezza inferiorerispetto a quella del terreno soprastante. Entrambi i valori di conducibilita idraulica satura (del bedrocke del terreno) saranno comunque oggetto di calibrazione numerica all’atto delle simulazioni svolte conGEOtop, utilizzando come valori di partenza quelli qui citati.Va infine evidenziata la presenza di cinque macropori (si veda la fig. 5.2 per la loro posizione), didiametro compreso tra i 10 ed i 60 mm, che a�orano sulla trincea e che contribuiscono attivamentealla generazione del deflusso.

5.2 Analisi delle precipitazioni e del deflusso subsuperficiale

Il versante di Panola e tipicamente ben drenato e rimane insaturo per la maggior parte dell’anno.Durante il pediodo di studio (gennaio - fine maggio 2002), il contenuto d’acqua medio del terrenomostra un andamento fortemente stagionale, passando da valori relativi prossimi all’80% del periodoinvernale, a valori di circa il 40% ad inizio estate, calando poi ulteriormente nei mesi piu caldi: in fig.(5.3) si riporta l’andamento appena descritto.Il deflusso sub-superficiale misurato presso la trincea e intermittente e si verifica solo in risposta aprecipitazioni intense; uno studio approfondito della relazione tra entita delle precipitazioni e deflussosub-superficiale e stato condotto da Tromp-van Meerveld e McDonnell, (2006a) [24], e nel seguito se neriportano i risultati, necessari a comprendere la dinamica idrologica del pendio.Nello studio condotto da Tromp-van Meerveld e McDonnell sono stati esaminati 2 anni di dati dideflusso sub-superficiale, dal 19 febbraio 1996 al 10 maggio 1998, periodo nel quale si sono verificati147 temporali. L’analisi correlata delle precipitazioni e del deflusso indica che il 22% degli eventi

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Il bacino sperimentale di Panola

Bedrock

R. Rigon, C. Lanni

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Superficie del terreno Superficie del substrato

Lo spessore del suolo varia

Depressione

Il bacino sperimentale di Panola

Bedrock

R. Rigon, C. Lanni

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α = 13°

Suolo (sabbia lmosa) Ksat = 10-4 m/s

Substrato Ksat = 10-7 m/s

Pioggia Intensità = 6.5 mm/h Durata = 9 hours

Pendenza

Proprietà idrauliche dei suoli di Panola

Bedrock

R. Rigon, C. Lanni

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Q (m

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! La portata generata presenta due picchi α = 13°

t=6h t=9ht=7h t=14h

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Bedrock

R. Rigon, C. Lanni

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1D

3D

! No role played by hillslope gradient

1°:

Lavora l’infiltrazione verticale

2°: Si innesca il deflusso laterale

Il fronte di infiltrazione si propaga

Il drenaggio può essere controllato dalla forma del bedrock

Come nel caso planare idealeLa

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Bedrock

R. Rigon

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CAPITOLO 5. IL BACINO DI PANOLA

Figura 5.4: Immagine tratta da Tromp-van Meerveld e McDonnell, (2006a) [24]; (a) deflusso sub-superficiale totale per i segmenti in cui e stata suddivisa la trincea e (b) numero di eventi meteorici cheproducono deflussi misurabili.

5.2.1 Il ruolo dei macropori

Secondo l’interpretazione di Tromp-van Meerveld e McDonnell, il flusso attraverso i cinque macroporicontribuisce in maniera significativa alla generazione del deflusso totale: rispetto al flusso totalemisurato durante i 147 eventi meteorici, il 42% deriva proprio da essi; in particolare il macroporodenominato M14 (si veda la fig. 5.2 per la sua localizzazione) e responsabile del 25% del deflussototale durante il periodo di analisi. Si e dimostrato come sussista una relazione lineare molto robusta(r2=0.96) tra il deflusso sub-superficiale totale ed il deflusso totale a carico dei macropori (fig. 5.5),il che suggerisce che vi sia un meccanismo comune che innesca entrambi i processi. Va evidenziatocomunque come vi sia una forte stagionalita nella caratterizzazione del deflusso ad opera dei macropori,che sarebbero responsabili del 50% del deflusso totale durante l’autunno e del 41% durante l’inverno,mentre in primavera ed estate contribuiscono solo per lo 0-2 %.

5.2.2 Soglia di risposta del pendio

Le analisi condotte da Tromp-van Meerveld e McDonnell suggeriscono come vi sia una soglia abbastanzanetta per innescare significativi (> 1mm) deflussi sub-superficiali nel versante di Panola: deflussisignificativi avvengono solo a seguito di eventi meteorici il cui apporto sia maggiore di 55 mm di

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6Anisotropie

Macropori

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Macropore Flow Initiation Water supply to the macropores

Interaction Water transfer between macropores and the surrounding soil matrix

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Infiltration of both water and solutes is due to the space and connectivity within the 3D macropores

[Perret et al, 1999, Soil Sci. Soc. Am. J.]

Macropori

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CAPITOLO 5. IL BACINO DI PANOLA

Figura 5.5: Immagine tratta da Tromp-van Meerveld e McDonnell, (2006a) [24]; relazione tra flussototale attraverso i macropori e deflusso sub-superficaile totale. Il riquadro mostra la relazione inun grafico bi-logaritmico per ampliare la scala di visualizzazione. La linea continua rappresenta laregressione lineare, mentre quella tratteggiata la scala 1:1.

precipitazione (fig. 5.6). Per tali eventi si ha un incremento nel deflusso misurato di almeno 2 ordini digrandezza rispetto ai deflussi originati da precipitazioni la cui entita sia minore della soglia illustrata.Inoltre si riscontra come anche l’e↵etto dovuto al contenuto volumetrico d’acqua nel terreno primadella precipitazione concorra a determinarne gli e↵etti in termini di deflusso: la relazione tra contenutod’acqua nel terreno prima della precipitazione, entita dell’evento e deflusso misurato e rappresentata infig. (5.7). Mentre la divisione tra mancanza di deflusso o deflusso poco significativo (< 1mm) non ecosı marcata, la zona costituente i deflussi significativi e chiaramente separata dalle altre.

5.2.3 Estensione spaziale delle zone di saturazione sub-superficiale

Un secondo lavoro proposto da Tromp-van Meerveld e McDonnell, (2006b) [25] ha lo scopo di investigarei processi responsabili della risposta idrologica del versante in relazione alla soglia precedentementeillustrata. Per fare questo nel bacino di Panola sono stati installati 135 crest stage gauge su unagriglia su�cientemente regolare di 2 x 2 m, assieme a 29 pozzi di osservazione, il tutto al fine dimonitorare l’andamento nel corso del tempo dei pattern di saturazione all’interfaccia tra il suolo ed ilbedrock, nell’ottica di relazionare tali osservazioni con la soglia caratterizzante l’innesco dei deflussisub-superficiali. In fig. (5.8) si presenta la localizzazione delle strumentazioni di misura collocate nelversante.

Le analisi condotte hanno dimostrato che nel periodo invernale le zone di saturazione all’interfaciasuolo - bedrock tendono ad aumentare di superficie al crescere dell’intensita delle precipitazioni (siveda la fig. 5.9); inoltre il pattern di saturazione sub-superficiale tende a conservarsi tra un evento ed ilsuccessivo. Durante temporali poco intensi (ovvero con precipitazioni minori di 10 mm), la saturazionesi verifica solo in aree isolate nella porzione depressa del pendio; nel caso di precipitazioni di intensitacompresa tra i 10 ed i 55 mm, le aree di saturazione aumentano di superficie e si spingono versomonte in rapporto agli eventi poco intensi. Oltre cio si riscontrano alcuni punti isolati di saturazionesub-superficiale a contatto con la trincea. Va sottolineato pero come durante gli eventi di mediaintensita l’area di saturazione sub-superficiale sia localizzata a piu di 16 metri di distanza dalla tricea,

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Macropori

Due tipi di flusso ?

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CAPITOLO 5. IL BACINO DI PANOLA

Figura 5.6: Immagine tratta da Tromp-van Meerveld e McDonnell, (2006a) [24]; rappresentazione dellarelazione a soglia tra precipitazione totale e (a) flusso totale, (b) flusso totale attraverso il terreno, e(c) flusso totale attraverso i macropori. I riquadri riportano i medesimi andamenti in scala lineare. Lalinea tratteggiata costituisce la soglia di precipitazione di 55 mm.

Figura 5.7: Immagine tratta da Tromp-van Meerveld e McDonnell, (2006a) [24]; relazione tra precipi-tazione totale, contenuto d’acqua nel suolo alla profondita di 0.70 m all’inizio dell’evento meteorico edeflusso sub-superficiale totale.

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Macropori

Due tipi di flusso ?

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CAPITOLO 5. IL BACINO DI PANOLA

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Flussi alla base del pendio - Simulazione 0

date (dd/mm) 2002

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01/01 11/01 21/01 31/01 10/02 20/02 02/03 12/03 22/03 01/04 11/04 21/04 01/05 11/05 21/05

Flussi misuratiSimulazione 0

Figura 5.16: Confronto tra flussi misurati e computati attraverso la Simulazione 0 presso la trinceaalla base del pendio.

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Simulazione 0 - evento 6 febbraio

date (dd/mm) 2002

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05/02 06/02 07/02 08/02 09/02 10/02 11/02 12/02

Flussi misuratiSimulazione 0

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Simulazione 0 - evento 30 marzo

date (dd/mm) 2002

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29/03 30/03 31/03 01/04 02/04 03/04 04/04 05/04 06/04 07/04

Flussi misuratiSimulazione 0

Figura 5.17: Confronto tra flussi misurati e computati attraverso la Simulazione 0 presso la trinceaalla base del pendio: a sinistra si riporta l’evento del 6 febbraio 2002, a destra quello del 31 marzo.

puo essere causata da diversi fattori, quali un’errata assegnazione delle caratteristiche del suolo o delbedrock, oppure un errore nello stabilire la condizione iniziale circa la quota della falda.Un aspetto decisamente importante da considerare, tanto in questi risultati quanto in quelli presentatisuccessivamente, e che nella creazione della geometria di calcolo 3D utilizzata da GEOtop non estato possibile inserire la presenza dei macropori che si a↵acciano sulla trincea alla base del pendio.Tale mancanza puo avere un peso notevole all’atto di calcolare i volumi defluiti, in quanto, comeevidenziato alla sezione (5.2.1), nel periodo invernale essi contribuiscono a generare circa il 40% del

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Da

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3

Macropori

Certamente il volume non può essere simulato con le sole Equazioni di Richards