UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES FACULTAD DE AGRONOMIA
LICENCIATURA EN CIENCIAS AMBIENTALES
HIDROLOGÍA
ENTREGA 5- INFILTRACIÓN Y ESCORRENTÍA
Ing. Agr. Alejandro Pannunzio Ing. Agr. Pamela Texeira Soria Lic. Lida Borello
-Año 2009-
OBJETIVO GENERAL: Que el alumno comprenda la importancia de relación entre infiltración y escorrentía superficial de una cuenca, en la elaboración de proyectos.
OBJETIVOS ESPECIFICOS: Que el alumno conozca la metodología para el cálculo de la velocidad de infiltración de un suelo, en términos de diseño hidrológico.
DEFINICIÓN El análisis de la infiltración en el ciclo hidrológico es de importancia en la relación entre precipitación y escurrimiento. De esta forma, dependiendo de la capacidad de infiltración de los suelos, dos precipitaciones de igual intensidad pueden generar distintos caudales de escurrimiento superficial y con ello distintos peligros de erosión hídrica. Las relaciones que regulan la infiltración y escorrentía en zonas áridas tienen implicaciones en los criterios de gestión del territorio para maximizar la recarga natural (Puigdefábregas Tomás, 2001). La infiltración se define como el proceso por el cual el agua penetra por la superficie del suelo y llega hasta sus capas inferiores. Kostiakov, en 1962, fue el primero en proponer una ecuación para la velocidad de infiltración.
Io = K x T n Io = velocidad de infiltración instantánea, mm/h. K = constante que representa la velocidad de infiltración para T = 1. T = tiempo, minutos. n = pendiente de la curva de la velocidad de infiltración con respecto al tiempo.
Horton, también desarrolló una ecuación matemática para definir la curva de la capacidad de infiltración. El postulado de Horton establece que la curva que representa la capacidad de infiltración, se manifiesta de esa manera, sólo si la intensidad de la precipitación es mayor que la capacidad de infiltración del suelo analizado.
f = f 0 + (f 0-f b).e –k*t f 0 = capacidad de infiltración inicial o máxima.
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f b = capacidad de infiltración básica o mínima. K = constante de decaimiento. t = tiempo desde el inicio del ensayo.
Los parámetros f 0 y K, dependen del contenido de agua inicial del suelo, así también como de la tasa de aplicación. Los parámetros de la ecuación se evalúan desde datos de infiltración experimentales (Haan et al, 1982)
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN La capacidad de infiltración de un suelo dependerá de varios factores:
Tipo de suelo: cuanto mayor sea la porosidad, lo que se relaciona con la textura (gráfico 1) y estructura del suelo, mayor será la capacidad de infiltración.
Grado de humedad del suelo: la infiltración varía en proporción inversa a la humedad del suelo, es decir, un suelo húmedo presenta menor capacidad de infiltración que un suelo seco.
Presencia de sustancias coloidales : casi todos los suelos contienen coloides, la hidratación de los coloides aumenta su tamaño y reduce el espacio para la infiltración del agua.
Intensidad de la precipitación : el agua de lluvia al chocar con el suelo facilita la compactación de su superficie, disminuyendo la capacidad de infiltración; por otra parte, el agua transporta materiales finos que tienden a disminuir la porosidad de la superficie del suelo, humedece la superficie, saturando los horizontes más próximos a la misma, lo que aumenta la resistencia a la penetración del agua y actúa sobre las partículas de sustancias coloidales que, como se dijo, reducen la dimensión de los espacios intergranulares. La intensidad de esta acción varía con la granulometría de los suelos, y la presencia de vegetación la atenúa o elimina.
Cubierta vegetal: la cubierta vegetal densa favorece la infiltración y dificulta el escurrimiento superficial del agua. En general, las zonas con mayor potencial de infiltración muestran una buena correlación con las áreas de mayor cobertura vegetal (Kurczyn-Robledo et al, 2007).
Acción del hombre y de los animales : el suelo virgen tiene una estructura favorable para la infiltración, alto contenido de materia orgánica y mayor tamaño de los poros. Si el uso de la tierra tiene buen manejo y se aproxima a las condiciones citadas, se favorecerá el proceso de la infiltración, en caso contrario, cuando la tierra está sometida a un uso intensivo por animales o sujeto al paso constante de vehículos, la superficie se compacta y se vuelve impermeable.
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Gráfico 1 – Curvas de infiltración según la textura del suelo.
MEDICIÓN DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN Los métodos para medir la infiltración se dividen en métodos directos e indirectos. Los métodos directos, valoran la cantidad de agua infiltrada sobre una superficie de suelo, el más utilizado es el de los anillos infiltrómetros. El más común consiste en un cilindro de 15 cm de largo y fijo, aproximadamente de 20 cm; se pone en él una determinada cantidad de agua y se observa el tiempo que tarda en infiltrarse. A este aparato se le atribuyen algunos defectos: el agua se infiltra por el círculo que constituye el fondo, pero como alrededor de él no se está infiltrando agua, las zonas del suelo a los lados del aparato participan también en la infiltración, por lo tanto, da medidas superiores a la realidad. El error mencionado se corrige colocando otro tubo de mayor diámetro (40 cm) alrededor del primero, que constituye una especie de corona protectora. En éste también se pone agua aproximadamente al mismo nivel, aunque no se necesita tanta precisión como en el del interior; con ello se evita que el agua que interesa medir pueda escurrir lateralmente (figura 1). La capacidad de infiltración se obtiene haciendo el cociente entre la cantidad de agua infiltrada y el intervalo de tiempo. Se obtendrán dos curvas, la curva de lámina acumulada y la de velocidad de infiltración.
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Figura 1 – Anillos infiltrómetros. Con los métodos indirectos, la capacidad de infiltración se determina considerando una cuenca perfectamente controlada, con datos precisos de precipitación, evaporación y escorrentía.
CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN EN GRANDES CUENCAS Las dificultades para calcular la infiltración en grandes cuencas condujeron a la utilización de distintos índices de infiltración media. Para obtener la capacidad de infiltración media en una cuenca, para obtener este índice, debe asumirse que capacidad de infiltración será uniforme en toda la cuenca, al igual que la escorrentía y la distribución espacial de la lluvia. En resumen, el agua infiltrada puede, seguir estos caminos:
Evaporación. Se evapora desde el suelo húmedo, sin relación con la posible vegetación. Transpiración. Las raíces de las plantas absorben el agua infiltradada en el suelo, una pequeña parte es retenida para su crecimiento y la m ayor parte es transpirada.
Escorrentía subsuperficial o hipodérmica, (“interflow”), que tras un corto recorrido lateral antes de llegar a la superficie freática acaba saliendo a la superficie
Escorrentía subterránea, el agua que no es evaporada ni atrapada por las raíces, por efecto de la gravedad continuará moviéndose hacia abajo, hasta alcanzar la superficie freática.
ESTUDIO DE LA INFILTRACIÓN: LLUVIA FECTIVA, EFICAZ Y NETA
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Si se establece un balance hídrico para una tormenta se obtiene la siguiente expresión.
P = I + F + S +Q P = precipitación total. I = intercepción por parte de la vegetación. F = infiltración. S = almacenamiento superficial. Q = escorrentía superficial.
Las precipitaciones producen en las cuencas hidrográficas una respuesta que las caracteriza, tanto por la cantidad de agua que se infiltra en el suelo, como por la que escurre por los cauces de su red de drenaje superficial. La relación entre la capacidad de infiltración y la intensidad de la precipitación, permite definir los conceptos de lluvia efectiva, lluvia eficaz y lluvia neta (figura 2). La lluvia efectiva, es la precipitación que llega al suelo, descontando la intercepción efectiva. La lluvia eficaz, es la precipitación que está en condicione de generar escurrimiento superficial, y ocurre cuando la intensidad de la precipitación es mayor que la capacidad de infiltración durante el desarrollo de una tormenta. La lluvia neta o en exceso, es la parte de la lluvia eficaz que efectivamente produce escurrimiento en forma directa.
Figura 2 – Lluvia efectiva, lluvia eficaz y lluvia neta.
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ESCORRENTIA De acuerdo a lo expuesto anteriormente, la escorrentía esperable en un determinado punto de la cuenca, será consecuencia de la capacidad de infiltración, de la cobertura areal de la tormenta, el tipo de precipitación (lluvia y/o nieve), su intensidad y su duración. El agua de la precipitaciones que no es evaporada, ni infiltrada, escurre superficialmente, una parte puede ser evaporada desde la superficie de ríos, lagos y embalses, otra parte puede quedar retenida como nieve o hielo o en lagos o embalses (“escorrentía superficial diferida”); finalmente una parte importante es la escorrentía superficial rápida que sigue su camino hacia el mar.
En general, grandes volúmenes de escorrentía se asocian a elevadas tasas de erosión, en este punto hay que tener en cuenta también la erosionabilidad de los suelos (Cerdá y Lavee, 1995). Un factor importante que modifica el impacto de la escorrentía sobre el riesgo de erosión es la cobertura vegetal. Otros conceptos fundamentales son:
Escorrentía Directa, la que llega a los cauces superficiales en un periodo de tiempo corto tras la precipitación, y que normalmente engloba la escorrentía superficial
y la subsuperficial. Son
imposibles de distinguir: una gran parte de lo que parece escorrentía superficial (por el aumento de los caudales que sigue a las precipitaciones) se infiltró subsuperficialmente
Escorrentía Básica, es la que alimenta los cauces superficiales en los estiajes, durante los periodos sin precipitaciones, concepto que engloba la Escorrentía Subterránea y la superficial diferida.
BIBLIOGRAFÍA Cerdá A. y
H.Lavee. 1995. Escorrentía y erosión en los suelos del desierto de Judea.
Geographicalia, ISSN 0210-8380, Nº 32, 1995 , 17-36 Haan C., H. Johnson and D. Br akensiek, 1982. Hydrologic modeling of small watersheds. American Society of Agricultural Engineers, pags.139-155. Kurczyn – Robledo J., T. Kretzschmar y A. Hinojosa Corona. Evaluación del escurrimiento superficial en el noreste del Valle de Guadalupe, B.C., México, usando el mátodo de curvas numeradas y datos de satélite. Revista Mexicana de iencias Geológicas, año/vol. 24, número 001. Universidad Autonoma de México. Querétaro, México, pags. 1-14. Puigdefábregas Tomás J. 2001. Problemática de la gestión del agua en regiones semiáridas / coord. por Antonio Pulido Bosch, Pablo Antonio Pulido Leboeuf, José María Calaforra Chordi, 2001, ISBN 84-8108-240-6 , pags. 29-36.
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