![Page 1: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/1.jpg)
CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN SCIENZE GEOLOGICHE (8015) CORSO: PRINCIPI DI MECCANICA DELLE TERRE E DELLE ROCCE
L’ACQUA NEL MEZZO POROSO
Docente: Alessandro Gargini
(E-mail: [email protected])
![Page 2: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/2.jpg)
Porosità
• La porosità è una semplice proprietà legata alla frazione di vuoti presenti nella roccia.
• Questa proprietà NON É legata alla facilità con cui l’acqua si muove nella roccia o può essere estratta dalla roccia.
![Page 3: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/3.jpg)
Tipi di porosità
• Primaria –pori fra grani. • Secondaria -fratture, vuoti da dissoluzione
(es., carsismo). • Porosità efficace: volume totale di pori
interconnessi sul volume totale del mezzo poroso (pori efficaci o conduttivi).
![Page 4: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/4.jpg)
Porosità
n = V V
V T
V W
V W + V S satura
= V W + V G
V W + V G + V S non satura
=
![Page 5: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/5.jpg)
nne−
=1e
en+
=1
sGwe ⋅=
s
v
VVe =
La porosità non va confusa con l’indice dei vuoti (e).
In idrologia ed idrogeologia, la quantità d’acqua presente in un mezzo poroso viene generalmente espressa in termini di contenuto volumetrico d’acqua (θ ) che è un rapporto tra volumi (V), al contrario del contenuto d’acqua (w) che è un rapporto tra pesi (W) e viene più comunemente utilizzato in geotecnica.
s
w
WWw =
tot
w
VV
=θ
Proprietà fisiche dei materiali naturali
dove Gs = peso specifico dei granuli
![Page 6: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/6.jpg)
IN UN MEZZO SATURO S = grado di saturazione = 1 (100%)
n = porosità = contenuto volumetrico d’acqua θ
Acqua
n =Vv/Vtot S =Vw/Vv θ =Vw/Vtot
![Page 7: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/7.jpg)
Porosità efficace ne
• Volume totale di pori interconnessi sul volume totale del mezzo poroso
• Include: – Pori efficaci o conduttivi (macropori o fessure)
![Page 8: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/8.jpg)
La porosità totale di un materiale influenza la sua capacità di immagazzinamento di acqua mentre la porosità efficace influenza la sua capacità di essere attraversato da un fluido ed è misura del volume dei soli vuoti interconnessi.
Proprietà fisiche dei materiali naturali
Si definisce rilascio specifico Sy il rapporto tra il volume di acqua drenata da un terreno/roccia per l’effetto della gravità (Vwg) ed il suo volume totale (Vtot). Il rilascio specifico è una proprietà del mezzo e, se sommato alla ritenzione specifica Sr, dà la porosità totale.
tot
wgy V
VS =
tot
wrr V
VS =
![Page 9: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/9.jpg)
SCALA
TIPI DI VUOTI TIPI DI MEZZO
Microscopica < 1 mm
Pori Intercristallici Intergranulari
(interstizi) Poroso
Continuo
Fessurato
Microfessure
Diaclasi Giunti Scistosità
Macroscopica > 1 mm
Macrofessure
Macrofessure Discontinuo
Canali Cavità carsiche
Genesi geologica dei pori
![Page 10: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/10.jpg)
Porosità per interstizi
Granuli di sabbia
Porosità primaria
![Page 11: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/11.jpg)
Porosità per interstizi
GRANULO
PORO
SABBIA
![Page 12: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/12.jpg)
Porosità per interstizi: i fattori
• Dimensioni • Forma, sfericità/arrotondamento. • Cernita. • Cementazione. • Impaccamento
![Page 13: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/13.jpg)
Effetto delle dimensioni
Dove si ha la massima porosità?
![Page 14: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/14.jpg)
Porosità di sfere
Cubico n = 0.48
Romboedrico n = 0.26
![Page 15: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/15.jpg)
Effetto della forma dei grani
Argille
Sabbie
Grano di sabbia
![Page 16: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/16.jpg)
Effetto della cernita Sabbia monogranulare (ben cernita)
Sabbia eterogenea
Quale ha la porosità
maggiore?
![Page 17: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/17.jpg)
Cementazione
La cementazione (quarzo, calcite)
può anche obliterare del tutto
la porosità
CEMENTO
ARENARIA
![Page 18: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/18.jpg)
Porosità e profondità
• Sedimenti sciolti, non litificati
• Sedimenti assestati,
parzialmente cementati
• Rocce sedimentarie litificate e compatte
ACQUE SUPERFICIALI MARI LAGHI FIUMI
ROCCE POROSE SATURATE DA ACQUA DOLCE
divengono
ROCCE POCO POROSE CON
ACQUA SALATA
divengono
ROCCE ANCORA MENO POROSE
CON ACQUA IPERSALINA
PROFONDITÁ (km3)
SEDIMENTI SUB-ORIZZONTALI
O POCO DEFORMATI
ROCCE SEDIMENTARIE DEFORMATE
![Page 19: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/19.jpg)
VALORI DI POROSITÁ TOTALE
ED EFFICACE (da Celico)
![Page 20: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/20.jpg)
La porosità è importante ma...
…non è tutto!!!
![Page 21: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/21.jpg)
=
Porosità Permeabilità
ACQUA
Attitudine a contenere Attitudine a trasmettere
Taglia, Forma, Connessione
Porosità Permeabilità
Alcune rocce hanno alta porosità, ma bassa permeabilità!!
![Page 22: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/22.jpg)
Pomice
Porosa
ma Non Permeabile
Argilla
Porosa
Ma Non Permeabile
Alta Porosità, ma Bassa Permeabilità
Interconnessione Pori piccoli
Sabbia
Porosa e Permeabile
![Page 23: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/23.jpg)
Legge di Darcy
• Fornisce una descrizione accurata del flusso di acqua sotterranea in quasi tutti i contesti geologici
![Page 24: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/24.jpg)
Primo studio sistematico del flusso dell’acqua
attraverso il mezzo poroso
Henry Darcy francese di Digione
Ingegnere idraulico
“Fontaniere reale”
“Le fontane pubbliche della città di Digione”
(1856)
![Page 25: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/25.jpg)
Esperimento di Darcy Configurazione originale verticale
![Page 26: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/26.jpg)
• Più grande la sezione, maggiore la portata (Q) Sezione trasversale (A)
• Aumenta la lunghezza, Q diminuisce. Lunghezza della colonna (L)
• Portata proporzionale a differenza di carico Differenza di carico (hin – hout)
Configurazione orizzontale
![Page 27: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/27.jpg)
L3 x L T x L2 x L
Cosa è K?
K = Conducibilità idraulica = coefficiente di permeabilità
Q = -KA (∆h / L) si ottiene K = QL / A (-∆h)
/ / /
L T
Quale è la unità di misura di K?
=
Maggiore K, maggiore Q
![Page 28: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/28.jpg)
Q = -KA (∆h / L) si ottiene
Q A
q = = -K (∆h / L)
q = portata specifica (velocità Darciana) specific discharge
“velocità apparente” –velocità se non ci fossero granuli nel condotto
![Page 29: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/29.jpg)
Velocità lineare media = v =
Velocità reale – Velocità lineare media?
Q A
q = = -K (∆h / L)
Considera solo lo spazio disponibile per il flusso
Area di flusso = porosità x area
Acqua fluisce solo attraverso i pori
Q neA
Kxi ne
=
![Page 30: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/30.jpg)
Velocità Darcy & Velocità reale di filtrazione
• La velocità Darcy è una velocità fittizia dato che assume che il flusso avvenga sfruttando tutta la luce della sezione di mezzo poroso trasversale al flusso. Il flusso in realtà ha luogo attraverso pori interconnessi.
![Page 31: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/31.jpg)
Argilla 10-11 – 10-8
Limo 10-8 – 10-6
Sabbia limosa10-6 – 10-5
Sabbia 10-5 – 10-3
Ghiaia 10-4 – 10-2
I sedimenti hanno un ampio range di K (m/s)
Argilla Limo
Sabbia Ghiaia
![Page 32: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/32.jpg)
Range di K – Permeabilità per porosità Permeabilità per frattura
• Ghiaia ben cernita 10-3 - 10-2 m/s. • Sabbia ben cernita 10-4 - 10-3 m/s. • Limo 10-6 - 10-5 m/s. • Argilla 10-10 - 10-7 m/s. • Roccia 10-13 - 10-10 m/s. • Roccia fratturata 10-8 - 10-2 m/s. o alterata
![Page 33: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/33.jpg)
funzione della temperatura
K è funzione di ambedue: Mezzo poroso
Fluido
Mezzo poroso Permeabilità intrinseca (ki) (funzione dimensione pori)
Fluido Densità (ρ) Viscosità (µ)
K = ki (ρg / µ)
}
![Page 34: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/34.jpg)
k e K • Permeabilità intrinseca (Permeability) (k), con dimensioni di un’area
[L2] • Unità di misura per k 1 Darcy = 9.87 X 10-9 cm2
• Conducibilità idraulica (Hydraulic Conductivity) (K), con dimensioni
di una velocità [LT-1] dipende dalle proprietà sia del mezzo poroso che del fluido:
K = k x γw / µw dove µw è la viscosità dell’acqua [FL-2T] e γw è il peso specifico [FL-3]
![Page 35: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/35.jpg)
Esempio di fessura
![Page 36: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/36.jpg)
Permeabilità nelle rocce fratturate Dipende da apertura, frequenza,
interconnessione, orientazione, persistenza, rugosità e riempimento delle fratture
![Page 37: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/37.jpg)
Riassunto
• Definizione di porosità totale • Definizione di porosità efficace • Fattori della porosità primaria • Valori di porosità per una sabbia • Valori di porosità per una argilla • Valori di porosità efficace per una sabbia ed
un calcare
![Page 38: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/38.jpg)
Riassunto
• Conducibilità idraulica – Unità di misura • Permeabilità intrinseca – Unità di misura • K per una sabbia e per una argilla • Proprietà del fluido che agiscono su K
![Page 39: L’ACQUA NEL MEZZO POROSO - campus.unibo.itcampus.unibo.it/67300/1/Lezione_1.pdf · Proprietà fisiche dei materiali naturali Si definisce rilascio specifico S y il rapporto tra](https://reader031.vdocuments.net/reader031/viewer/2022021722/5c6890a609d3f29b758bb893/html5/thumbnails/39.jpg)
Riassunto
• Che tipo di legge è la legge di Darcy? • Unità di misura di q, K, i • Velocità apparente e velocità effettiva