CURSO DE HIDROLOGIA LA INFILTRACIÓN
INTRODUCCIÓN • El análisis de la infiltración en el ciclo hidrológico es de importancia básica en la relación entre la precipitación y el escurrimiento, por lo que en este capítulo se introducen los conceptos que la definen, def inen, los factores que la afectan, los métodos que se usan para medirla y el cálculo de dicha componente en grandes cuencas.
Definición. • La infiltración es el proceso por el cual el agua penetra desde la superficie del terreno hacia el suelo. En una primera etapa satisface la deficiencia de humedad h umedad del suelo en una zona cercana a la superficie, y posteriormente superado cierto nivel de humedad, pasa a formar parte del agua subterránea, saturando los espacios vacíos .
INTRODUCCIÓN • El análisis de la infiltración en el ciclo hidrológico es de importancia básica en la relación entre la precipitación y el escurrimiento, por lo que en este capítulo se introducen los conceptos que la definen, def inen, los factores que la afectan, los métodos que se usan para medirla y el cálculo de dicha componente en grandes cuencas.
Definición. • La infiltración es el proceso por el cual el agua penetra desde la superficie del terreno hacia el suelo. En una primera etapa satisface la deficiencia de humedad h umedad del suelo en una zona cercana a la superficie, y posteriormente superado cierto nivel de humedad, pasa a formar parte del agua subterránea, saturando los espacios vacíos .
• A medida que el agua infiltra desde la superficie, las capas superiores del suelo se van humedeciendo de arriba hacia abajo, alterando gradualmente su humedad. En cuanto al aporte de agua, el perfil de humedad tiende a la saturación en toda la profundidad, siendo la superficie el primer nivel a saturar. • Normalmente la infiltración proveniente de precipitaciones naturales no es capaz de saturar todo el suelo, sólo satura las capas más cercanas a la superficie, conformando un perfil típico donde el valor de humedad decrece con la profundidad.
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Si se establece un balance hídrico para una tormenta queda la siguiente expresión: P = I + F + S + Q
•
P = precipitación total, I = intercepción de la vegetación que impide que la lluvia alcance el suelo. Se denomina intercepción total a todo el agua de precipitación que es detenida por el follaje vegetal. Una parte mínima se evapora y regresa a la atmósfera, que se conoce como intercepción efectiva. F = Infiltración, S = agua que queda en depósitos superficiales, concavidades del terreno. Q = escorrentía superficial, que va a ir a parar a los cauces directamente.
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La relación entre C. infiltración e Intensidad de Precipitación define : : Es la precipitación que llega al suelo, descontado la intercepción efectiva.
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•
•
: Precipitación que genera escurrimiento superficial, y ocurre cuando la intensidad de precipitación es mayor que la capacidad de infiltración durante el desarrollo de una tormenta.
: Es la parte de la lluvia eficaz que efectivamente produce escurrimiento en forma directa, durante una tormenta (intensidad de infiltración).
•
•
: Volumen de agua que entra al suelo en un área unitaria por unidad de tiempo : Altura de agua que entra al suelo por unidad de tiempo. Es mayor en suelos arenosos que en suelos arcillosos Arenosos
: 25,0 mm/hr
Francos
: 10,0 mm/hr
Arcillosos
: 2,5 mm/hr
. • Es la cantidad máxima de agua que puede absorber un suelo en determinadas condiciones, valor que es variable en el tiempo en función de la humedad del suelo, el material que conforma al suelo, y la mayor o menor compactación que tiene el mismo.
colocarlos se • Al altera el terreno • El recorrido del agua infiltrada es diferente al real • Para reproducir el proceso se deben utilizar simuladores de lluvia
1. Simuladores de lluvia: Aplican agua constante reproduciendo lo más fielmente la lluvia. 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 varia entre 0.1 a 40 m2. La diferencia entre P y E representa la valoración del volumen infiltrado
Ecuación de Horton: Desarrolló una ecuación matemática para definir la curva de capacidad de infiltración: f = fc + (fo - fc)
e- K * t
Donde: fc: Capacidad de infiltración inicial ó máxima. fo: Capacidad de infiltración básica ó mínima. K: Constante de decaimiento. t: Tiempo desde el inicio del ensayo. Los valores de fo, fc y K están asociados a los suelos y a su cubierta vegetal. Se determina fo en suelo 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 esa 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.
• La dificultad para calcular la infiltración en grandes cuencas ha conducido al empleo de diversos “índices de infiltración”, que deben correlacionarse con los factores indicativos de las condiciones iniciales de humedad, y así calcular el hidrograma de una cuenca en una tormenta determinada. • Para hallar la capacidad de absorción media en una cuenca, se tiene que admitir : 1. que es uniforme en toda la cuenca; 2. que la escorrentía sea también uniforme en toda ella; 3. que la lluvia sea uniforme en su distribución espacial
:
• Se admite que para una tormenta dada y en las condiciones iniciales que el valor de recarga de la cuenca es constante durante toda la duración de la tormenta. En el gráfico de la intensidad media de la lluvia en función del tiempo, el índice ∅ representa la intensidad media por encima de la cual todo excedente se transforma en escorrentía. • Es claro que el índice ∅ integra, en forma excesivamente simplificada, la acción de la intercepción de los diversos almacenamientos superficiales y de la infiltración
Intensidad de lluvia (mm/h)
Lluvia efectiva = escorrentía
Pérdidas
Tiempo en Horas
REPRESENTACIÓN DEL INDICE
DE PÉRDIDAS
Cálculo Duración en Exceso (d e ) • Todos los HU se calculan para una de índic e • Una forma de calcularla es por medio del índice de infiltración (Φ), en mm/hora. – Hipótesis: • La recarga en la cuenca debida a la tormenta en estudio permanece constante constante a través de la duración de la misma. mism a. • La intensidad de la lluvia es constante en toda la cuenca
– Se necesita contar con: • Hietograma de la tormenta • Hidrograma de la tormenta
Método del índice de infiltración (Φ) 1. 2.
3. 4.
Del hidrograma de la tormenta aislada, calcular el volumen de escurrimiento directo (Ve) Conocida el área de la cuenca (A), se obtiene la altura de precipitación en exceso (h pe) como:
Se supone un índice de infiltración (Φ) y se localiza en el hietograma de la tormenta. ‘ e) Se calcula la altura de precipitación en exceso (h p correspondiente al valor supuesto para ( Φ) en el paso anterior sumando los incrementos de las ordenadas del hietograma (hp -t ) que se encuentren por encima de este valor supuesto
5. Se compara la altura de precipitación en exceso h’pe (paso 4) con la obtenida del hidrograma (paso 2), en caso de ser iguales, el valor supuesto para φ será el correcto:
6.
7.
Pero, si hpe ≠ h’pe , se supone otro valor de φ y se repiten los pasos 3, 4 y 5, hasta encontrar para un valor de φ la igualdad entre hpe y h’pe (paso 5). Una vez encontrado el φ, se localiza en el hietograma y se observa cual es la duración en exceso d e , que provoca la precipitación en exceso hpe
Δhpei < Φ:
En estos casos se acepta que todo lo que llueve se infiltra. No se recomienda calcular el volumen infiltrado a partir de esta gráfica
8. El volumen de infiltración real se aplica la ecuación:
Ejercicio: • Calcular el índice de infiltración media (φ) y la duración en exceso ( d e ), para una tormenta cuyo hietograma de precipitación media se muestra en las columnas 1 a 3 de la tabla 5.5. Además, se sabe que el volumen de escurrimiento directo deducido del hidrograma correspondiente para esa tormenta, es de 16×106 m3 y el área de la cuenca drenada es de 200 Km2.
Ejercicio: Solución 1. La altura de la precipitación en exceso es:
2. Como el hietograma esta hecho para un intervalo de tiempo constante Δt = 3 hr, para facilidad de cálculo y para ser localizado en dicho hietograma los valores supuestos para φ, deberán expresarse en mm/3hr.
Ejercicio: Solución •
Se procede a dar valores a φ, hasta obtener del hietograma correspondiente h’pe = 80 mm. –
Por ejemplo si se supone un valor inicial de φ = 13 mm/3 hr del hietograma se obtiene h’pe = 45.5 mm (columna 4 de tabla . Como: •
–
– –
h’pe =80 ≠ h’pe = 45.5
se supone otro valor de φ . Análogamente, para φ = 9 mm/3hr del hietograma se obtiene h’pe = 62.4 mm (columna 5 de la tabla) Para φ = 5.3 mm/3hr del hietograma se obtiene h’pe= 80.1mm ≈ 80 mm Se concluye que el valor buscado para φ es:
Ejercicio: Solución •
En la figura se muestra el hietograma de la tormenta con el φ = 5.3 mm/3hr, correspondiente a una hpe = 80 mm. En esta figura se observa que la duración de la lluvia en exceso es: – d e = 18 hr
• Este método tiene en cuenta todas las pérdidas posibles y el resultado proporciona la precipitación eficaz sobre una zona, que es la cantidad de agua que no circula por el terreno y se queda retenida tras una precipitación P.
Formulación Matemática del método S.C.S. La relación fundamental estimada por el Soil Conservation Service de USA, es la siguiente:
F
Q
donde: e S F = infiltración real (retención actual) S´= infiltración potencial o parámetro de retención (S´ F) Pe= escorrentía potencial o exceso de precipitación (Pe Q) Q = escorrentía real
P
• La ecuación se considera válida a partir del inicio de la ES • Toda la P ocurrida antes del inicio de dicho ES es considerada como pérdida y no contribuye al flujo superficial. Estas pérdidas son denominadas las ABSTRACCIONES INICIALES (Ia) y constan de varios componentes: intercepción, almacenamiento en depresiones e infiltración inicial
En cuencas grandes, parte del agua infiltrada retorna como ESS o subterráneo, pero no son consideradas en el análisis de tormentas puesto que tienen un tiempo de retardo suficientemente largo como para no influenciar el hidrograma de escorrentía directa. De acuerdo con lo anterior:
Q
(Pe ) 2 Pe
S
Pe = P – Ia
y
F = Pe – Q
En esta relación se ignora la abstracción inicial. Como S depende de Ia, el estudio de una gran cantidad de eventos permitió la obtención de una relación empírica entre dichas variables, definida por:
Ia = 0,2 S donde: S = S´ + Ia
S = infiltración potencial máxima
• La Ecuación que relaciona Ia con S, se basa en datos obtenidos experimentalmente en cuencas grandes y pequeñas. No es necesario mayor exactitud, puesto que para poder fragmentarIa en sus componentes, se requiere disponer de datos que normalmente no están disponibles. Por la misma razón se considera una buena aproximación el coeficiente 0.2. Sustituyendo se obtiene:
Q
(P 0.2S) P 0.8S
2
• La principal limitación es estimar S, lo cual depende de factores edáficos, condiciones de la superficie y la humedad antecedente. • El SCS luego de analizar gran cantidad de hidrogramas de cuencas experimentales ha estimado S en base a un valor llamado CN (Número de Curva), que se relaciona con S por la ecuación: »
S
»
25.4(»
1000 CN
10)
mm
La relación entre la P y ES para estas tres condiciones es expresada mediante un determinado Condiciones de humedad antecedentes Uso de la tierra :
Condiciones hidrológicas del suelo como indicador de la cobertura vegetal Grupo hidrológico del suelo como indicador de infiltración Tratamiento superficial al que ha sido sometido el suelo
PRECIPITACIÓN INICIAL
El volumen de lluvia en un período de 5 a 30 días antes a una tormenta determinada CONDICIONES INICIALES condiciones que se producen en la cuenca con respecto al escurrimiento potencial
El S.C.S. reduce estas condiciones a los siguientes casos: • Condición I: (suelo seco) Es el caso en que los suelos se secan sin llegar al punto de perder la cohesión; o sea, cuando se puede arar o cultivar en buenas condiciones (lámina 0-35 mm). • Condición II: (suelo normal) Es el caso medio para crecidas anuales, es decir, las condiciones medias existentes antes de que se produjera la máxima crecida anual en dichas cuencas (lámina 35-50 mm). • Condición III: (suelo húmedo) Cuando en los cinco días anteriores a la tormenta dada, se han producido lluvias fuertes o lluvias tenues con bajas temperaturas y el suelo está casi saturado (lámina mayor de 50 mm).
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El uso de la tierra tiene efecto sobre la respuesta de la cuenca a los fenómenos hidrometeorológicos. A medida que se desforesta una cuenca aumentan los picos de crecida y baja el caudal de estiaje (caudal mínimo del río, a partir del cual se miden las crecidas). Dependiendo de la clasificación de los suelos, uso de la tierra, tratamiento o práctica y de la condición hidrológica, se determina el a la condición II de humedad antecedente (Tabla), ya que ésta es representativa de la condición del suelo. Los valores de CN para las condiciones I y III se encuentran tabulados en la bibliografía o se estiman mediante las Ecuaciones
donde: CN I = condición de humedad antecedente seca. CN II = condición de humedad antecedente normal.
• El tipo de cobertura vegetal tiene un marcado efecto sobre el proceso de intercepción, evapotranspiración, escurrimiento superficial e infiltración. Los diferentes tipos de vegetación existentes sobre una cuenca, gobiernan el grado de influencia de la cobertura vegetal sobre estos procesos; sin embargo, durante la tormenta prevalece la infiltración. • La condición hidrológica, como indicador de la situación para la infiltración, se usa como índice de la cobertura vegetal; así, se define como sigue: : cobertura de 75% : entre 50% y 75% : menor del 50%
Bajo potencial de escorrentía. (Muy permeable) Suelos con alta tasa de Infiltración, aún muy húmedos. Consisten de arenas o gravas profundas, bien o excesivamente drenadas. Suelos con alta tasa de transmisión de agua. Moderadamente bajo potencial de escorrentía . (Permeable) Con tasas de Inf. moderadas, aún muy húmedas; moderadamente profundos a profundos, moderadamente bien drenados a bien drenados, suelos con texturas moderadamente finas a moderadamente gruesas y permeabilidad moderadamente lenta a moderadamente rápida. Son suelos con tasas de transmisión de agua moderadas. Moderadamente alto potencial de escorrentía. (Impermeable) Con infiltración lenta cuando muy húmedos, que impide el movimiento del agua hacia abajo; texturas moderadamente finas a finas; infiltración lenta debido a sales o álcali o suelos con niveles freáticos moderados. Pueden ser pobre o moderadamente bien drenados con estratos de permeabilidad lenta a muy lenta a poca prof. (50-100 cm). Alto potencial de escorrentía . (Muy impermeable) Con infiltración muy lenta cuando muy húmedos. S. arcillosos con alto potencial de expansión; nivel freático alto permanente; con estrato arcilloso superf., con infiltración muy lenta debido a sales o álcali y poco profundo sobre material casi impermeable. Tasa de transmisión de agua muy lenta
• Por otro lado, la altura de lluvia total P se relaciona con la altura de lluvia efectiva Pe, mediante las curvas mostradas en la figura 1 • Estas curvas se pueden expresar algebraicamente mediante la ecuación
Que resulta más práctica que usar la gráfica en forma especial para valores de P pequeños
• Para tomar en cuenta las condiciones iniciales de humedad del suelo, se hace una corrección al CN obtenido de la Tabla 3, según la altura de precipitación acumulada cinco días antes de la fecha, de la siguiente manera: • Si P5 < 2.5 cm, hacer corrección A • Si 2.5 < P5 < 5 cm , no hacer corrección • Si P5 > 5 cm , hacer corrección B
0
0
0
10
4
22
20
9
37
30
15
50
40
22
60
50
31
70
60
40
78
70
51
85
80
63
91
90
78
96
100
100
100
• Este método es útil y popular por cuanto en la mayor parte de las cuenca del país no están aforadas con mucha frecuencioa y no se cuenta con estos datos, por lo que es necesario tener métodos con los que se pueda estimar la altura de lluvia efectiva (hpe) a partir de la total y las características de la cuenca.
. :
•
1. Lisímetros: Es un depósito enterrado, de paredes verticales, abierto en su parte superior y relleno del terreno que se quiere estudiar. La superficie del suelo está sometida a los agentes atmosféricos y recibe las precipitaciones naturales. El agua de drenaje es medida, al igual que la humedad y la temperatura del suelo a diferentes profundidades. Los inconvenientes son la necesidad de períodos largos, la reconstrucción del suelo no es adecuada ya que no se reproduce exactamente igual el proceso que el mismo sufrió debido al accionar de la naturaleza y el hombre. 2.
.
3. Infiltrómetros: 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.
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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
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: Se determina la capacidad de infiltración considerando una cuenca perfectamente controlada, con datos precisos de precipitación, evaporación y escorrentía, se puede determinar la infiltración.
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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 planilla registrándose 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.
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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.
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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 = fc + (fo - fc)
e- K * t
Donde: fc: Capacidad de infiltración inicial ó máxima. fo: Capacidad de infiltración básica ó mínima. K: Constante de decaimiento. t: Tiempo desde el inicio del ensayo. Los valores de fo, fc y K están asociados a los suelos y a su cubierta vegetal. Se determina fo en suelo completamente seco y fb en suelo totalmente saturado.
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El postulado de Horton establece que la curva que representa la capacidad de infiltración se manifiesta de esa 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.
