INFILTRACIÓN
Preparadas por: Ing. Jaime Pedroza Soler
INFILTRACIÓN:
La infiltración es el paso del agua a través de la superficie del suelo hacia el interior de la tierra; la percolación es el movimiento del agua dentro del suelo, y ambos fenómenos, la infiltración y la percolación, están íntimamente ligados puesto que la primera no puede continuar sino cuando tiene lugar la segunda.
escorrentíaa sub-superficial puede llegar a El agua que se infiltra en exceso de la escorrentí formar parte del agua subterránea, la que eventualmente puede llegar a los cursos de agua.
El agua de un río, en general, puede así estar formada de dos partes. Una parte de escorrentía (superficial y sub-superf sub-superficial icial ) que recibe el nombre de escorrentía directa y otra parte de agua subterrán subterránea ea que recibe el nombre de flujo base .
INFILTRACIÓN:
http://image.slidesharecdn.com/infiltracion-131022214101-phpapp01/95/infiltracin-del-suelo-4-638.jpg?cb=1382478166
1. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO. INTERCEPCIÓN
Lluvia que cae sobre hojas árboles y edificaciones, luego se evapora
DETENCIÓN SUPERFICIAL
Lluvia que se almacena en depresiones y charcas luego se evapora
HUMEDAD DEL SUELO.
DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO
PRECIPITACIÓN SOBRE LA CORRIENTE DE AGUA
AGUA SUBETERRÁNEA
Agua que se infiltra y antes de llegar al nivel freático es removida por las raíces de plantas y por evaporación Porcentaje muy pequeño que cae en los cauces. Luego de que el suelo llega a su capacidad de campo, parte del agua (gravitacional) comienza a drenar y llegar hasta la zona saturada. Nivel freático: divide la zona saturada de la no saturada.
FLUJO SUB-SUPERFICIAL
Parte del agua que no llega hasta el nivel freático porque toma una dirección paralela a la superficie del terreno, para luego convertirse en escorrentía superficial.
ESCORENTÍA SUPERFICIAL DIRECTA
Volumen de agua lluvia que hace su recorrido sin infiltrarse. Es la suma de la escorrentía superficial directa y el flujo sub-superficial.
1. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO.
http://www.izaping.com/wp-content/uploads/2012/01/ciclo-del-agua-438649-600x302.jpg
1. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO.
http://www.fundacite-falcon.gob.ve/images/stories/AGUAS_SUBTERRANEAS.jpg
1. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO.
1. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO.
HUMEDAD DEL SUELO
Zona saturada : Poros o vacíos completamente llenos de agua.
Humedad higroscópica: Humedad que se adhiere firmemente a las partículas de suelo. No disponible para las plantas.
Nivel freático: divide la zona saturada de la no saturada.
Zona no saturada: Poros ocupados por agua y aire
Humedad capilar. Agua de la zona saturada que sube por efecto de capilaridad a través de los poros del suelo Mayor fuente de suministro de agua para las plantas .
Humedad gravitacional: agua que se mueve verticalmente desde la superficie del terreno hasta la zona saturada.
1. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO.
1. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO. HUMEDAD DEL SUELO Coeficiente higroscópico: Humedad máxima que una muestra inicialmente seca absorbe cuando se pone en contacto con una atmósfera al 50% de humedad relativa y a 25° C.
ÍNDICES PARA DETERMINAR EL CONTENIDO DE HUMEDAD EN EL SUELO
Punto de marchitez: Contenido de humedad abajo del cual se presenta marchitez permanente de las plantas. Depende de: edad, sistema de raíces, clima, etc.
Capacidad de campo: C antidad de agua que un suelo saturado puede retener después de ser centrifugado con una fuerza de 1000 g; o cantidad máxima de agua que puede ser retenida por el suelo en contra de la acción de la gravedad.
2. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA INFILTRACIÓN.
INFILTRACIÓN
a. Capacidad de Infiltración •
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Debido a los fenómenos de infiltración y percolación, el agua de lluvia llega hasta el nivel del agua subterránea, pero no a un ritmo constante. La tasa de infiltración disminuye a medida que progresa la tormenta, debido a que se van llenando los espacios capilares del suelo.
La tasa máxima a la cual puede penetrar agua a un suelo, en un sitio en particular y con tasa de abastecimiento suficiente, se llama capacidad de infiltración, se denota como (f) y se expresa en mm/hora. Es máxima al comienzo de una tormenta ( fo) y se aproxima a una tasa mínima (fc) a medida que el suelo se satura. El valor límite está controlado por la permeabilidad del suelo. A la capacidad de infiltración sólo se llega durante una lluvia si el exceso de precipitación es mayor o igual a cero.
Curva de capacidad de Infiltración
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/Capacidad_de_infiltraci%C3%B3n.JPG
2. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA INFILTRACIÓN.
INFILTRACIÓN
b. Velocidad de Infiltración Es la velocidad media con que el agua atraviesa el suelo, o el caudal dividido por el área de la sección neta de escurrimiento. Por si misma no es un buen parámetro de infiltración pues depende de la permeabilidad y del gradiente hidráulico.
3. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA CAPACIDAD CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
INFILTRACIÓN
a. Infiltrómetr Infiltrómetros: os: •
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Consiste básicamente en dos cilindros concéntricos y un dispositivo para medir agua colocada en el cilindro interno. Está técnica está siendo sustituida por la de colocar agua al mismo tiempo tanto en el cilindro interno como en el cilindro externo. El agua se coloca por medio de aspersión. https://encryptedbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRdQQHTQ1bXSIG Hgg859YwG6uBeS0JBEYOLdpi6aHDxPp54btWnVQ
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Normalmente, Normalmente, las medidas de capacidad de infiltración a través de infiltrómetros son presentadas en cuadros y gráficos. No son representativos de un área extensa y sólo pueden utilizarse para estudios locales.
3. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
INFILTRACIÓN
b. Medida de la capacidad de infiltración en una cuenca por medio de la separación de los componentes del hidrograma.
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Si se conoce la precipitación y la escorrentía superficial en una cuenca, se puede calcular por diferencia, la capacidad de infiltración de la misma, si bien este valor englobará también la intercepción y el almacenaje en las depresiones; sin embargo, esto no afecta significativamente la solución de problemas de ingeniería de un proyecto. Para cuencas pequeñas el error producido por retardo de la escorrentía debido a la intercepción y almacenaje en depresiones es menor que para grandes cuencas. Así que para grandes cuencas, se puede entonces calcular una capacidad de infiltración media.
INFILTRACIÓN
3. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN b. Medida de la capacidad de infiltración en una cuenca por medio de la separación de los componentes del hidrograma. 1 Tiempo (min)
to t1 t2 :
2
3
4
Precipitación
Escorrentía
Escorrentía
acumulada (mm)
superficial (m3/s)
superficial (mm/hora)
Po
Qo
ES0
P1 P2 :
Q1 Q2 :
5
6
7
Intensidad de
Capacidad de
precipitación (mm/hora)
infiltración (mm/hora)
(ES0+ES1)/2
(P1-P0)/(t1-t0)
f1
(t1-t0)/2
(ES1+ES2)/2
(P2-P1)/(t2-t1)
f2
(t2-t1)/2
:
:
:
:
Escorrentía superficial promedio (mm/hora)
8 Teimpo promedio en el intervalo desde el comienzo (minutos)
ES1 ES2 :
4. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
INFILTRACIÓN
El tipo de suelo: (Arena – Limo – Arcilla)
El aumento en el contenido de materia orgánica tiende a aumentar la capacidad de infiltración, debido sobre todo a que produce un aumento en la porosidad.
La cobertura vegetal.
Humedad del suelo: Un suelo seco tiene mayor capacidad de infiltración inicial por el hecho de que se suman fuerza gravitacionales y de capilaridad.
Porosidad y permeabilidad del suelo: La permeabilidad es la velocidad de infiltración para un gradiente unitario de carga hidráulica en un flujo saturado a través de un medio poroso. La porosidad determina la capacidad de almacenamiento y también afecta la resistencia al flujo. La infiltración tiende a
aumentar con el aumento de la porosidad.
Temperatura del suelo y condiciones del contorno : Temperatura del agua y de las condiciones del contorno como: compactación debido a la lluvia, compactación por animales, arado de la tierra, entre otras.
4. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
INFILTRACIÓN
5. ECUACIÓN DE LA CURVA DE CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN CONTRA TIEMPO Horton:
= + + −
= Log = log 0.43 Fo: capacidad de infiltración inicial (para t = 0) Fc: capacidad de infiltración final (para t= α) -k: constante para cada curva, característica para cada cuenca. -t: tiempo de duración de la lluvia, en minutos
INFILTRACIÓN
6. INDICE DE INFILTRACIÓN (ф)
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INFILTRACIÓN
Muchos índices han sido propuestos. El más simple de estos es el índice ф , definido como la tasa de precipitación por encima de la cual el volumen de lluvia es igual al volumen de escorrentía directa. El índice se define como la intensidad de lluvia promedio por encima de la cual la masa de escorrentía superficial es igual a la masa de lluvia neta. El índice ф se determina de lluvia y escorrentía superficial medidas en una cuenca hidrográfica particular. La diferencia entre el volumen de lluvia total y el volumen de escorrentía superficial es igual al volumen de infiltración.
6. INDICE DE INFILTRACIÓN (ф)
INFILTRACIÓN
Forma de determinar el índice (ф) •
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Para determinar el índice (ф) se supone inicialmente un valor de ф (mm/hora), línea de trazos de la figura. Este valor supuesto (ф) se resta de los valores de lluvia. Valores negativos indican intensidad de lluvia menor que la tasa de infiltración y se supone igual a cero. La diferencia calculada es la lluvia neta. El volumen de lluvia neta debe ser igual al volumen de escorrentía superficial si se ha supuesto un valor correcto de (ф); si no, se debe suponer un nuevo valor de (ф) y se repite el proceso. El índice (ф) incluye la cantidad de agua de infiltración, la cantidad de agua interceptada y la cantidad de agua dejada en almacenamiento por depresiones. Una porción de esta última cantidad se evapora en vez de infiltrarse.
INFILTRACIÓN
6. INDICE DE INFILTRACIÓN (ф)
t (horas)
∆ Precipitación
(mm/hora)
Φi
Lluvia neta
0 1
0.5
2
1.5
3
1.0
4
2.0
5
3.0
6
4.0
7
6.0
8
7.0
9
9.0
3.3
10
6.5
0.8
11
7.0
1.3
12
6.0
0.3
13
4.0
14
1.0
15
2.0
16
1.0
17
1.0
Sumatorias Escurrimiento directo *
0.3 5.75
1.3
HISTOGRAMA DE LLUVIA NETA DE LA CUENCA 3.5 3.0
7 7
) a r 2.5 o h / m2.0 m ( a t e 1.5 n a i v u1.0 L L
0.5 0.0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tiempo t (horas)
11
12
13
14
15
16
17
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES •
•
•
INFILTRACIÓN
El Soil Conservation Service “SCS” de los Estados Unidos, desarrolló un método llamado curva de escorrentía CN (por sus siglas en inglés), para calcular las abstracciones de una tormenta, las cuales incluyen la intercepción , la detención superficial y la infiltración propiamente dicha. En este método la profundidad de escorrentía es una función de la profundidad total de precipitación, y de un parámetro de abstracción referido al número de curva de escorrentía, número de curva o CN. El CN varía entre un rango de 1 a 100, existiendo en función de las siguientes propiedades productoras de escorrentía de la cuenca hidrográfica: 1. 2. 3. 4.
Tipo de suelo hidrológico Utilización y tratamiento de suelo. Condiciones de la superficie del terreno. Condición de humedad antecedente del suelo.
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES •
•
INFILTRACIÓN
Para la tormenta como un todo, la profundidad de exceso de precipitación o escorrentía directa (Pe) es siempre menor o igual a la profundidad de precipitación (P), de manera similar, después de la escorrentía se inicia, la profundidad adicional del agua retenida en la cuenca (Fa) es menor o igual a alguna retención potencial máxima (S). Existe una cierta cantidad de precipitación (Ia) (abstracción inicial antes del encharcamiento) para lo cual no ocurra escorrentía, luego la escorrentía potencial es (P – Ia).
INFILTRACIÓN
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES La hipótesis del método del SCS consiste en que las dos relaciones de las cantidades reales y las dos cantidades potenciales son iguales.
= + +
Del principio de continuidad:
2 = +
Combinando las dos ecuaciones anteriores:
De muchas cuencas experimentales se obtuvo la relación empírica:
Con lo cual se obtiene:
=
= 0.2
0.2 2 = + 0.8
Expresando la relación potencial en términos de CN:
=
1000
10
S, 1000 y 10 están en pulgadas
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES
INFILTRACIÓN
Teniendo en cuenta las dos últimas expresiones la (Pe) se puede expresar como:
=
+ 2 + 200 2
8 + 800
P y Pe están dados en pulgadas
La cual está sujeta a la restricción de que: ≥ 200⁄ 2 .
2 � + 2 + 200 = � 8 + 800
P y Pe están dados en centímetros
La cual está sujeta a la restricción de que ≥ 200⁄ 2 . Con R = 2.54.
De esta manera las abstracciones totales A (incluyendo intercepción, detención superficial e infiltración propiamente dicha) son iguales a:
=
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES
INFILTRACIÓN
ESTIMACIÓN DEL NÚMERO DE LA CURVA DE ESCORRENTÍA -a. Clasificación hidrológica de los suelos: Los suelos han sido clasificados en cuatro grupos (A, B, C, D) de acuerdo con el potencial de escurrimiento.
A. Bajo potencial de escorrentía. •
•
•
Suelos con alta tasa de infiltración aún cuando estén muy húmedos. Arenas o gravas profundas excesivamente drenados. Alta tasa de infiltración de agua.
B. Moderadamente bajo potencial de escorrentía. •
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•
•
•
•
Infiltración moderada cuando están muy húmedos. Suelos moderadamente profundos o profundos. Moderadamente drenados o bien drenados. Textura moderadamente fina o moderadamente gruesa. Permeabilidad moderadamente lenta o moderadamente rápida. Tasas de trasmisión de agua moderadas.
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES
INFILTRACIÓN
ESTIMACIÓN DEL NÚMERO DE LA CURVA DE ESCORRENTÍA -a. Clasificación hidrológica de los suelos: Los suelos han sido clasificados en cuatro grupos (A, B, C, D) de acuerdo con el potencial de escurrimiento.
C. Moderadamente alto potencial de escorrentía . •
•
•
•
•
•
•
Suelos con infiltración lenta cuando están muy húmedos. Suelos con un estrato que impide el movimiento de agua hacia abajo. Texturas moderadamente finas a finas. Infiltración lenta debido a sales o alkalis. Niveles freáticos moderados. Pueden ser pobremente drenados o moderadamente drenados. Con estratos de de permeabilidad lenta a muy lenta a poca profundidad.
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES
INFILTRACIÓN
ESTIMACIÓN DEL NÚMERO DE LA CURVA DE ESCORRENTÍA -a. Clasificación hidrológica de los suelos: Los suelos han sido clasificados en cuatro grupos (A, B, C, D) de acuerdo con el potencial de escurrimiento.
D. Alto potencial de escorrentía. •
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Suelos con infiltración muy lenta cuando están muy húmedos . Suelos arcillosos con alto potencial de expansión. Suelos con nivel freático alto permanente. Suelos con estrato arcilloso superficial. Suelos con infiltración muy lenta debido debida a sale o alkali. Suelos poco profundos con material casi impermeable. Tasas de trasmisión de agua muy lenta.
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES
INFILTRACIÓN
ESTIMACIÓN DEL NÚMERO DE LA CURVA DE ESCORRENTÍA -b. Uso y tratamiento del suelo : Usos del suelo:
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Vegetación (tipo) Humus vegetal. Tierras en descanso Superficies de agua (lagos, ciénagas y otras). Superficies impermeables (caminos, techos y en general áreas urbanas).
Tratamiento del suelo: Se aplica principalmente a usos agrícolas del suelo como. Prácticas mecánicas : perfilado de curvas de nivel o terracéo. Prácticas de manejo como control de pastoreo y rotación de cultivos. •
•
Lo usual es encontrar en una hoya hidrográfica una combinación de uso y tratamiento.
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES ESTIMACIÓN DEL NÚMERO DE LA CURVA DE ESCORRENTÍA -b. Uso y tratamiento del suelo : El método del CN distingue entre suelos cultivados, prados y bosques . Para suelos cultivados, identifica los siguientes usos y tratamientos: •
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•
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Tierras en descanso Prados Cultivos de hilera Cultivos de granos Vegetales sembrados cercanamente Rotaciones (probre a buena). Cultivos en hileras rectas. Campos sembrados a lo largo de curvas de nivel Cultivos taraceados.
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7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES
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ESTIMACIÓN DEL NÚMERO DE LA CURVA DE ESCORRENTÍA -c. Condición Hidrológica:
El porcentaje del área cubierta con pasto natural y la intensidad del pastoreo son estimadas visualmente. Según estos parámetros se tiene: •
•
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Condición hidrológica pobre corresponde a menos del 50% de área cubierta y alta intensidad de pastoreo. Condición hidrológica aceptable corresponde al 50 al 75% del área cubierta y media intensidad de pastoreo. Condición hidrológica buena corresponde a más del 75% del área cubierta y ligera intensidad de pastoreo.
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES
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ESTIMACIÓN DEL NÚMERO DE LA CURVA DE ESCORRENTÍA -c. Condición Hidrológica:
Los bosques son pequeñas arboledas aisladas o árboles que han sido sembrados para fincas o para usar en granjas. Su condición se determina como sigue:
(1) Pobre – densamente pastado o bosques regularmente quemados, con pocos arbustos y muy poca cantidad de humus vegetal.
(2) Aceptable – con pastos pero no quemados, con algunos arbustos y moderada cantidad de humus vegetal.
(3) Buena – protegidos con pastos, con alta cantidad de humus vegetal y muchos arbustos cubriendo la superficie.
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7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES ESTIMACIÓN DEL NÚMERO DE LA CURVA DE ESCORRENTÍA -d. Humedad antecedente:
El método de CN maneja tres niveles de humedad antecedente ,dependiendo de la precipitación total en los cinco días previos a la tormenta:
Condición de humedad antecedente (AMC)
Precipitación acumulada en los cinco días previos al evento en consideración (cm)
I
0 - 3.6
II
3.6 – 5.3
III
Más de 5.3
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7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES ESTIMACIÓN DEL NÚMERO DE LA CURVA DE ESCORRENTÍA -e. Determinación del número de curva de escorrentía (CN):
Existen varios cuadros de número de escorrentía. Por ejemplo para áreas urbanas, área agrícolas, otras tierras agrícolas. Estos cuadros usualmente se presentan para la condición promedio AMC II . Los números de escorrentía para las condiciones AMC I Y AMC III se presentan en términos de la condición AMC II. Empleando la ecuación:
:
=
1000
10
se encontraron las siguientes ecuaciones que son buenas correlaciones:
=
2.3 0.013
=
0.43 + 0.0057
7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES
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7. MÉTODO DEL SCS PARA ABSTRACCIONES
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