INDICES DE INFILTRACIÓN INFILTRACIÓN
Cuando se realizan análisis areales, uno de los inconvenientes que se presentan es la determinación del estado de humedad del suelo, en el instante en que se produce la tormenta o precipitación, es por ello que se desconoce en que punto de la curva f-t, se encuentra nuestro suelo. En el caso extremo de que la intensidad intensidad de la precipitación fuese fuese siempre mayor que la capacidad de infiltración, se puede suponer que la curva es la capacidad de infiltración y descontarle a la intensidad de precipitación precipitación ese valor. En el extremo opuesto, de que la intensidad de precipitación es menor que la capacidad de infiltración, toda la lluvia se transformará en infiltración y la curva tendrá un descenso más lento. El trabajar con la curva de capacidad capacidad de infiltración infiltración es complicado, se toma un valor valor medio de infiltración y se supone que es un valor constante. Esto es válido válido cuando el objetivo es determinar la precipitación en exceso para la determinación de crecidas, crecidas, donde la magnitud de la intensidad de precipitación precipitación normalmente es muy superior superior a la capacidad de infiltración, y
donde la
distribución de de los excesos excesos se afectan afectan levemente al considerarla considerarla constante en el período. Esta aproximación comienza comienza a producir errores mayores, mayores, a medida que aumentan aumentan las pérdidas con respecto a las precipitaciones. precipitaciones. Se han determinado una serie de índices para el cálculo cálculo de esta tasa de infiltración constante.
A).- INDICE Ø Se define como la capacidad capacidad de infiltración a partir de la cual todo el volumen precipitado es igual al volumen total escurrido. Para determinar el índice ø se traza una paralela al eje de los tiempos que divide el
hietograma en dos áreas. El área superior corresponde al volumen total de
escorrentía superficial. Este índice incluye la parte de la precipitación que no se transforma en escurrimiento directo, es decir infiltración, intercepción, almacenamiento en depresiones y evapotranspiración.
b).- INDICE W. Se define como la tasa de infiltración promedio durante el tiempo en el cual la intensidad de precipitación excede a la capacidad de infiltración. W = F / t = 1/ t * ( P - Q - S ) Donde : F = infiltración total. t = tiempo durante el cual la intensidad de precipitación excede la capacidad de infiltración. P = precipitación total en el tiempo t iempo t.
c).- W MÍNIMO. Cuando la cuenca está muy húmeda y se produce una precipitación, el almacenamiento en depresiones está prácticamente colmado. En estas circunstancias, el índice W es igual al índice W mínimo por definición y coincidirá por lo tanto con el índice ø. Este índice es el más utilizado en estudios de potencial máximo de inundación.
La magnitud de estos índices dependen
fundamentalmente de las condiciones de humedad
antecedente y de la duración de las
tormentas.
MEDIDAS Y ESTIMACIÓN DE LA INFILTRACIÓN
Es corriente utilizar como unidad el mm/hora. En algunos casos el mm/día. Para medidas directas, los intervalos de tiempo entre dos medidas sucesivas son generalmente más cortos, pero el resultado se traduce a una de las dos unidades citadas. Recordar que un milímetro de agua equivale a un volumen de 10 m3/ha. Los factores que afectan a la medida de la infiltración tienen caracter eminentemente local, es por ello que los métodos de campo para su determinación, tiene un valor relativo, y representan las características del lugar donde se han realizados las mediciones. Es por ello clave al realizar ensayos de determinaciones de capacidades de infiltración seleccionar lugares representativos del área en estudio. Desde el punto de vista de la forma en que realizan las mediciones de campo tenemos tres grupos fundamentales de métodos: a) infiltrómetros. b) análisis de hidrogramas de escorrentía en cuencas pequeñas. c) lisímetros.
INFILTRÓMETROS Se utilizan para medidas muy locales y, con ellos, la capacidad de infiltración se determina directamente. Con bastantes precauciones, los valores obtenidos pueden aplicarse a pequeñas cuencas homogéneas. Cuando la cuenca es de dimensiones mayores, el suelo no es homogéneo, o existen variaciones en la vegetación implantada, deberá subdividirse en áreas que lo sean y realizar mediciones con infiltrómetros en cada una de ellas.
Para realizar el ensayo de infiltración en el campo se utiliza el infiltrómetro. Es un aparato sencillo, de uno o dos tubos de chapa de diámetro fijo. Se clava en el suelo a una profundidad variable, se le agrega una cierta cantidad de agua y se observa el tiempo que tarda en infiltrarse.
Tubos: Es un tubo de cilíndrico de 0,20 a 0,25 cm de diámetro y un alto de 0,60 m, que se hinca en el suelo, midiéndose el descenso del agua, con el principal inconveniente que el agua infiltrada por el círculo del fondo, en las zonas del suelo a los lados del aparato participan también en la infiltración; dando medidas superiores a la realidad.
Infiltrómetros: Son dos anillos concéntricos, usándose el interior, de 23 cm. de diámetro para determinar la velocidad de infiltración, mientras que el exterior de 35 cm se inunda a las mismas profundidades para disminuir los efectos de frontera en el anillo interior. Los anillos se insertan en el suelo a la profundidad mínima necesaria para evitar las fugas de los mismos. La medición es menor que la anterior y más concordante con la capacidad real del suelo. El método de Muntz trabaja con los mismos anillos pero cambia la forma de medir: junto al cilindro interior se entierra una punta, colocándose una determinada cantidad de agua por encima y repitiendo la medición en intervalos de tiempo y descenso del agua. Los principales inconvenientes, aparte del carácter local de la experiencia, son que el suelo se modifica al clavar el tubo, y no hay efectos de compactación, ni de arrastre de finos, ni del aire.
Se aclara que el terreno no es preparado para el ensayo de
infiltración, si no que se hace sobre el terreno natural. Como la medición varía según el estado de humedad inicial existente al momento del ensayo, deben realizarse una serie de ensayos para distintos grados de humedad.
1.- INFILTRÓMETROS DE INUNDACIÓN. La capacidad de infiltración se deduce del volumen de agua que es necesario añadir para mantener una lámina de espesor constante sobre un área bien definida de terreno. Se debe procurar que este espesor sea similar al que habitualmente tiene la lámina de agua después de una lluvia o riego. Los defectos más importantes de este tipo son que se anula la compactación que produce la lluvia, y que no es posible aplicarlos sin alterar la estructura del terreno. Los diferentes modelos difieren en forma y m étodos de medida. Algunos son:
a) Cilindros concéntricos. Constituido por dos superficies cilíndricas abiertas por las bases e hincadas parcialmente en el terreno a una profundidad de unos 10 cm, Figura 3. Se añade una cantidad conocida de agua hasta que cubra una lámina determinada, tanto en el cilindro interior como exterior. La función del cilindro exterior es eliminar los efectos de dispersión lateral del flujo de infiltración que medimos y que debe ser vertical, a los efectos de representar fielmente las condiciones reales. Se miden los tiempos necesarios para incorporar o infiltrar una lámina determinada de agua en el suelo, deduciendo de esta manera la capacidad de infiltración en ese instante determinado. El ensayo se debe realizar con un suficiente período de tiempo de manera de alcanzar los valores asintóticos de la capacidad de infiltración, que tienden a la infiltración base.
Cilindro excavado en el suelo E Método de Porchet).
El método usual de cálculo de la infiltración es el denominado Método de Porchet. El sistema consiste en excavar una calicata en el suelo para luego agregar agua en su interior, controlando el tiempo que transcurre entre dos elevaciones de agua en el interior de la calicata. La superficie a través de cual se infiltra el agua es:
( ) DONDE: R: Radio de la calicata H: altura de agua en el interior de ella La solución de la ecuación diferencial es:
(
Dependiendo de las unidades utilizadas, la tasa de infiltración queda expresada en mm/s, m/s, etc.
“Infiltrómetro Método Porch”
2.- INFILTRÓMETROS TIPO SIMULADOR DE LLUVIA. El agua mediante un sistema de aspersión se distribuye uniformemente sobre la parcela a ensayar, de la cual se desea determinar la capacidad de infiltración. Comparativamente las parcelas ensayadas por este método, son de pequeñas dimensiones, de 10 a 200 m2, pero poseen un grado mayor de representatividad que los ensayos realizados por el infiltrómetro de doble anillo. Para comprobar la uniformidad de la aplicación del agua, y medir el volumen o lámina aplicada, se colocan de uno a varios pluviómetros. La parcela deberá estar equipada además con un sistema para poder medir la escorrentía directa Figura 5. Si conocemos la lluvia P y el valor de la escorrentía S, despreciando en la ecuación de balance el valor de la evapotranspiración (debido al corto intervalo de medición, y la representación de su valor en el conjunto), podemos determinar la infiltración como: I=P-S Para un determinado valor de intervalo de tiempo. Si utilizamos una intensidad de lluvia constante, podemos obtener la capacidad de infiltración para cada intervalo de tiempo, expresando tanto P como S en las mismas unidades (mm/h ó lt/seg. ) Este tipo de equipamiento trata de reproducir los más fielmente las condiciones reales en
que se
produce el fenómeno natural. En algunos equipos de simuladores de lluvia suele aplicársele cierta presión de agua, para que la lluvia así asperjada produzca el fenómeno de compactación de suelos que produce la lluvia real. El simulador de lluvia utilizado en los experimentos fue diseñado por Jos Meersmans (K.U. Leuven), Aplican agua en forma constante reproduciendo lo más fielmente el acontecer de la precipitación. Las gotas son del tamaño de las de la lluvia y tienen una energía de impacto similar, comparándose los efectos. Varían en tamaño, cantidad de agua necesaria y método de medición. El área de lluvia es variable entre 0,1 m2 y 40 m2. La diferencia entre precipitación y escorrentía representa la valoración del volumen infiltrado.
Para la determinación de la infiltración básica se establece un balance hídrico para una lluvia simulada cualquiera y queda la siguiente expresión: P=I+E+V+S P representa la precipitación media total, I es la infiltración, E es la escorrentía superficial, V la intercepción de la vegetación. S es el encharcamiento que reposa en las concavidades del terreno. Los suelos estudiados se caracterizan por ser suelos degradados sin vegetación y las
áreas se definirán de manera que no exista encharcamiento superficial, de esta manera el balance quedara así: P=I+E P: Precipitación (mm h-1) I: Infiltración del suelo (mm h-1) E: Escorrentía superficial (mm h-1). Las principales ventajas de utilizar un simulador son que se puede acelerar la obtención de resultados, controlar la cantidad y tipo de precipitación. Los datos
para el estudio en
consideración son:
Diámetro de las gotas: 5-6 mm
Altura de caída: 3 m
Intensidad de precipitación: 36 mm h-1
Presión del sistema: 0.39 bar
Caudal regulado: 0.2 m³ h-1
ANÁLISIS DE HIDROGRAMAS EN CUENCAS PEQUEÑAS. El objetivo de estas mediciones consiste en medir en cuencas de reducidas dimensiones el verdadero fenómeno en que se produce el efecto de la infiltración. Es por ello que se utilizan cuencas de pequeñas dimensiones, menores que 1000 ha, en las que se pueden considerar constantes las variables que afectan el fenómeno de incorporación de agua al suelo o capacidad de infiltración ( lluvia uniformemente distribuida, valores de humedad del suelo en los mismo órdenes de magnitud, suelos similares, etc. ). Con un sistema de medición de caudales a la salida de la cuenca es posible evaluar el escurrimiento superficial. A partir de pluviómetros o pluviógrafos instalados es posible determinar la lluvia o lámina caída. La ecuación del balance será:
P = Es + I + Evpt + Int
donde : P = precipitación (mm) Es = escurrimiento superficial (mm) I = infiltración (mm)
Evpt = evapotranspiración (mm) Int. = intercepción (mm) Si la tormenta o evento que medimos es de poca duración los valores de Evpt. y Int. seran reducidos frente a los otros dos, por lo que pueden ser despreciados. De esta manera, aunque cometiendo un error por exceso, el volumen de agua infiltrado serála diferencia entre lo precipitado y lo escurrido
LISÍMETROS Los lisímetros tienen como objetivo determinar la infiltración en un suelo determinado, y para ello constan de un colector de agua que atraviesa totalmente el terreno contenido en el aparato. Existen lisímetros que permiten evaluar o no el escurrimiento superficial, por lo que la ecuación de balance en el mismo difiere de acuerdo al esquema utilizado. Desde el punto de vista teórico, representan las mediciones en los mismos el total de factores y parámetros que intervienen en el ciclo hidrológico a nivel de parcela. La implementación para la medición implica la existencia de pluviómetros o pluviógrafos para determinar la lluvia o lámina caída, un sistema para aforar las salidas o escurrimientos superficiales, un sistema para medir la percolación profunda, y finalmente un sistema de balanzas o tensiómetros para medir la evolución del contenido de humedad del suelo. Las limitaciones de las mediciones se ven afectadas por las siguientes alteraciones al entorno real: a) el suelo se rellena artificialmente. b) las raíces no pueden extenderse lateralmente, por lo que se desarrollan preferentemente en el sentido vertical. c) el drenaje de fondo que no representa las condiciones reales. A pesar de lo expresado este tipo de equipamiento permite mediciones precisas del Conjunto de las variables de interés, obteniendo de esta manera el balance total del sistema que nos interesa. La precisión de las mediciones de capacidades de infiltración está dado por la periodicidad en que se realizan las mediciones de las variables intervinientes ( pluviometría, escurrimiento superficial, percolación profunda y variaciones del contenido de humedad en el suelo.
OTROS Ensayo de infiltración Los ensayos de infiltración permiten conocer la variación de la capacidad de infiltración en función del tiempo, decreciente a medida que transcurre el mismo. Los ensayos más simples y difundidos son los que se desarrollan con los anillos concéntricos. Los datos obtenidos de campo se vuelcan en una planillaregistrándose las distintas alturas de agua y los tiempos correspondientes. Los intervalos de tiempo dependen del suelo donde se hace la medición. Con los datos de altura y tiempo se obtienen los deltas de ambos. La capacidad de infiltración se obtiene haciendo el cociente entre cantidad de agua infiltrada y el intervalo de tiempo:
f = Variación altura / Variación de tiempo. Se obtienen dos curvas: De lámina acumulada, y la curva de capacidad de infiltración, ambas en función del tiempo:
Ecuación de Horton: Desarrolló una ecuación matemática para definir la curva de capacidad de infiltración: f = fo + (fo - fb) e- K * t Donde: fo: Capacidad de infiltración inicial ó máxima fb: Capacidad de infiltración básica ó mínima k: Constante de decaimineto t: Tiempo de inicio del ensayo Los valores de fo, fb y k están asociados a los suelos y a su cubierta vegetal. Se determina fo en suelos completamente seco y fb en suelo totalmente saturado. El postulado de Horton establece que la curva que representa la capacidad de infiltración se manifiesta de esta manera, solo y solo si la intensidad de precipitación es mayor que la capacidad de infiltración del suelo analizado. Este principio o postulado es debidamente respetado en el ensayo de infiltración de doble anillo, porque siempre hay agua en superficie que satisface la capacidad de absorción que tiene el suelo en su grado máximo o potencial, cualquiera sea el tiempo que transcurre desde el inicio del ensayo.
Método de Muntz Infiltrómetros: se lo utiliza para mediciones puntuales, y con ello , la capacidad de infiltración se determina en forma directa.
BALANCE HIDROLOGICO
El agua, aunque se encuentra en un movimiento cíclico continuo, es cuantificable y debido a los requerimientos actuales del hombre, es necesario conocer con exactitud ese movimiento y definirlo, para aprovechar de forma racional los recursos hídricos y que no se modifiquen de forma irreversible, los componentes que intervienen en el ciclo del agua. El balance hídrico tiene por objeto cuantificar los recursos y volúmenes de agua del ciclo hidrológico de acuerdo con el axioma de Lavoisier: "nada se crea ni se destruy e, sólo se transforma" . Este axioma en dinámica de fluidos se conoce como la Ecuación Continuidad. También permite establecer relaciones entre las distintas variables hidrológicas. El establecimiento del balance hídrico en una cuenca o en una región determinada permite obtener información sobre:
El volumen anual de escurrimiento o excedentes. El período en el que se produce el excedente y por tanto la infiltración o recarga del acuífero. Período en el que se produce un déficit de agua o sequía y el cálculo de demanda de agua para riego en ese período.
El establecimiento de un balance supone la medición de flujos de agua (caudales) y almacenamientos de la misma (niveles). Se pueden establecer balances de forma general, incluyendo aguas superficiales y subterráneas y parciales de sólo aguas superficiales, de un acuífero, del agua del suelo, etc. En cualquier caso, a la hora de establecer el balance se examinarán las entradas y las salidas al sistema analizado. La propia idea de balance supone la medida independiente de los términos que intervienen en la ecuación de balance. Como toda medida física, está sujeta a error, que, en algunos casos es grande debido a diversas circunstancias. Por ello ha de actuarse con gran prudencia a la hora de obtener datos del balance. Por medio de las precipitaciones atmosféricas (P), llega agua a la superficie de la Tierra. Parte de estas precipitaciones se evapora en contacto con el aire o es absorbida por las plantas y después transpirada por las mismas, fenómenos que denominaremos de forma general como
evapotranspiración (E). El agua entonces sigue dos caminos: una parte fluye por la superficie de la corteza terrestre y otra parte se infiltra en el terreno. El agua de infiltración aún puede ser captada por el suelo y las plantas, sufriendo entonces fenómenos de evapotranspiración o puede circular hipodérmicamente junto con las aguas que circulan en superficie, denominándose el conjunto aguas de escurrimiento (R). La parte de agua infiltrada que alcanza una zona más profunda constituye la verdadera agua de infiltración (I) que se junta con las aguas subterráneas alimentando el acuífero. La Ecuación de Continuidad se basa en que la diferencia que se produce entre las entradas y las salidas de agua se traduce en el agua que queda almacenada. Entradas - Salidas = Variación del Alm acenamiento
Aplicando estos conceptos, se expresa la precipitación com o: P=E+R+I+e
Siendo e el error cometido en las estimaciones o error d e cierre, E la evapotransp iración, R el escurrim iento e I la infiltración. Para poder aplicar esta ecuación hay que tener en cuenta dos condiciones importantes: Unidad hidro geológica : es decir, que todas las aguas que se miden y comparan pertenezcan al mismo acuífero. Períod o de tiem po : el período de medición deberá de ser de al menos un año. De modo más concreto podríamos reescribir la ecuación de forma que abarque todas las fuentes y sumideros de la zona en estudio de la siguiente forma: e = P + Qse + Qte - E - Qs s - Qts - ΔS
Donde: e = error de cierre P = aportación pluviométrica Qse = caudal superficial entrante Qte = caudal subterráneo entrante E = evapotranspiración real Qss = caudal de superficie saliente Qts = caudal subterráneo saliente ΔS = variación del almacenamiento (final - inicial). En condiciones ideales de medida debe ser igual al error de cierre.
http://www.cfia.or.cr/descargas/inflitracion.pdf
http://ceer.isa.utl.pt/cyted/2007/ecuador2007/8_Coello.pdf
