UNA PUNO
PRACTICA № 4: PRUEBA DE INFILTRACIÓN CON CILINDROS CON CARGA VARIABLE INTRODUCCIÓN: Una variable importante en el diseño de los sistemas de riego, es la velocidad con que el agua, ingresa a la masa del suelo para llenar la zona de raíces. La infiltración puede ser definida como la entrada vertical del agua en el perfil del suelo, y los factores mas importantes que afectan a la tasa de infiltración son: -
Textura del suelo.
-
Características físicas del suelo
-
Características de humedad del suelo
-
Contenido de humedad inicial.
-
Contenido de humedad de saturación.
-
Cobertura vegetal.
-
Aire atrapado.
-
Lavado del material fino.
-
Compactación.
-
Temperatura del suelo y del agua, sus cambios y diferencias.
-
Labores agrícolas realizadas.
-
Carga hidrostática usada en la prueba.
-
Contenido de materia orgánica y carbonatos.
-
Grado de uniformidad del perfil del suelo.
-
Calidad del suelo
Entre otros usos de la prueba de infiltración, nos permitirá obtener también la cantidad de infiltración, nos permitirá obtener también la cantidad de agua que puede infiltrarse en una cuenca, microcuenca hidrográfica… para así estimar la cantidad de escorrentía superficial. En el diseño de los sistemas -1-
UNA PUNO de riego por gravedad, es para determinar el tiempo de riego y longitud del surco o melgas, mientras para el de presurizado en la intensidad de aplicación.
II. OBJETIVOS: Obtener con el uso de cilindros infiltrómetros lo siguiente: -
Velocidad de infiltración instantánea.
-
Infiltración acumulada.
-
Velocidad de infiltración promedio.
-
Velocidad de infiltración básica.
III. CONCEPTOS BASICOS: Infiltración: Se define como el movimiento del agua, a través de la superficie del suelo hacia adentro del mismo, producido por la acción de las fuerzas gravitacionales y capilares. La diferencia entre el volumen del agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre genérico de pérdidas. En general, las pérdidas están constituidas por la intercepción en el follaje de las plantas y n los techos de las construcciones, la retención en depresiones o charco (que posteriormente se evapora o filtra), la evaporación y la infiltración. La infiltración juega un papel de primer orden en la relación lluvia escurrimiento, y por tanto en los problemas de diseño y predicción asociados a la dimensión y operación de obras hidráulicas. En general el volumen de infiltración es varias veces mayor que el escurrimiento durante una tormenta dada, especialmente en cuencas con un grado de urbanización relativamente bajo. Sin embargo la infiltración recibe poca atención por parte de los ingenieros proyectistas, quizá por falta de herramientas adecuadas para su tratamiento.
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UNA PUNO a) Infiltración instantánea (Ii): Es la velocidad de entrada vertical del agua en el perfil del suelo, cuando la superficie del terreno se cubre con una lámina delgada de agua. El modelo de forma exponencial que representa la ecuación fue propuesto por KOSTIAKOV. Ii = a tob Donde: Ii = velocidad de infiltración instantánea (mm/hr; cm/hr; cm/min; pulg/hr.) to= tiempo de oportunidad (tiempo de contacto del agua con el suelo)en min, hr. a= coeficiente que representa la velocidad de infiltración para to =1.0 min. b= exponente que varia entre 0 y -1 (tiene significado físico)
b) Infiltración acumulada (Ia): integrando la ecuación de infiltración instantánea entre los límites 0 y t se tiene la función correspondiente: Si:
t
t
dt = o
a to dt
a / (b+1) = A
o
b+1 = B b+1
Ia =
at b+1
Entonces: Ia = A t B
Donde: A = a/ (b+1), coeficiente de lámina acumulada cuando to = 1 min. B = b+1, pendiente de la función que varia entre 0 a 1.0. Ia = Lamina acumulada en unidades de longitud (cm, pulg) t = tiempo acumulado en minutos.
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UNA PUNO
c) Velocidad de infiltración básica (ib): Es el valor instantánea cuando la velocidad de cambio de la infiltración para un periodo standard de tiempo es mayor al 10% de su valor. El tiempo al cual se logra la infiltración básica se encuentra igualando la primera derivada de la ecuación (li) con el 0.1 de la misma ecuación.
di = - 0.1 i dt Reemplazando y simplificando se tiene el tiempo básico de: tb = -10 b (horas) tb = - 600 b (minutos) Reemplazando las ecuaciones anteriores se obtiene: Ib = a (Tb.) b, según las unidades de tiempo.
d) Velocidad de infiltración promedio (Ip): Es la relación entre la infiltración acumulada y el tiempo acumulado.
Ip =
I t b+1
Ip =
at b+1 t
at Ip =
b
b+1
EFECTO BUFFER: s el efecto amortiguador que tendrá el cilindro exterior y permitirá que el flujo del agua dentro del suelo sea vertical.
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UNA PUNO
IV. MATERIALES Y EQUIPOS: 01 juego de cilindros infiltrómetros de fierro galvanizado de 2m de espesor, de 30 y (40-50) cm de diámetro uno interior y el otro exterior, de unos 40 cm. De alto ambos. 1. 01 equipo para la instalación de cilindros.(madera, comba y nivel de carpintero). 2. Cinta adhesiva, lapiz o tiza. 3. 1 escalimetro o regla graduada. 4. 1 gancho medidor del nivel del agua. 5. 1 cronometro. 6. 2 baldes y una lamina de plástico de polietileno. 7. Hoja de registro
30 cm.
40-50 cm
40 cm.
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UNA PUNO V. METODO: Una ves elegido la ubicación donde se efectuaran las pruebas, se sigue el siguiente procedimiento 5.1) Instalación de los cilindros.
Ubicar los cilindros de infiltración en el lugar escogido y presionarlos en el suelo.
Colocar el tablón sobre el cilindro, golpear suavemente con la comba hasta que el cilindro comience a penetrar en el suelo, observando que los cilindros estén verticales.
Pararse sobre el tablón y golpear suavemente con la comba, hasta que el cilindro penetre a la profundidad deseada, los golpes deben darse verticalmente durante la prueba. No debe introducirse el cilindro irregularmente por cuanto pude producir disturbación en el suelo.
El cilindro interior será introducido a una profundidad de aproximadamente 6 pulgadas. El cilindro exterior no necesita instalarse en forma tan minuciosa como el de infiltración y se ubica a menor profundidad (4”). Se recomienda instalar primero el cilindro exterior y luego el interior. Una vez instalados los cilindros. Se mueve con cuidado el suelo que se encuentra adyacentes y en las paredes de estos se coloca una regla graduada fijándola adecuadamente en la parte externa del cilindro interior, luego se extiende una lámina de plástico sobre la superficie del suelo del cilindro interior.
5.2) Llenado de agua y registro de datos.
Proceder a su llenado con agua al cilindro interior (sobre el plástico), aproximadamente una lamina de 4 a 6 pulgadas.
En el momento de aplicar agua al cilindro exterior, inmediatamente retirar del cilindro interior el plástico para así iniciar al instante las lecturas de la carga de agua.
Es preferible que simultáneamente sean llenados con agua los dos cilindros, lo cual requiere que dos personas operen a la vez y que el nivel de agua en el cilindro interior y exterior deben
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UNA PUNO ser aproximadamente el mismo. El agua entre los cilindros es para tratar de anular la infiltración lateral que pueda presentarse en el cilindro interior (efecto buffer).
Las lecturas del nivel de agua en el cilindro interior se medirá con el escalimetro o regla graduada (previamente instalada) y el gancho metálico. Se continuara con las mediciones a intervalos de tiempo corto inicialmente, y luego podrán ser aumentados (2, 5, 10, 20, 30min) hasta que la infiltración se haga sensiblemente constante (alcanzar infiltración básica).
Cuando se ha infiltrado alrededor de 2 o 3 pulgadas de altura de agua en los cilindros, se procede a llenarlos nuevamente procurando alcanzar el, mismo nivel inicial de agua. Siendo esta operación ser hecha rápidamente.
Se deberá tener cuidado de registrar el nivel de agua inmediatamente antes y después de cada llenado de agua, de modo que el intervalo de tiempo trascurrido en el llenado sea considerado como cero.
Registrar los datos de campo, anotándose en las columnas correspondientes del formato.
5.3) Calculo de las funciones de infiltración.
En base a los datos de capo obtenidos, se procede al llenado del resto de columnas del formato.
Determinar las funciones matemáticas respectivas y sus coeficientes de determinación (r2).
La determinación de los parámetros de la función de infiltración acumulada, velocidad de infiltración instantánea e infiltración promedio pueden realizarse mediante el método grafico o analítico, para lo cual se utiliza la información de campo semiprocesada. Si es por el método analítico, puede procederse mediante el método estadístico de “mínimos cuadrados”, donde el tiempo es considerado como variable independiente.
Efectuar un diagrama de la velocidad de infiltración instantánea, infiltración promedio e infiltración acumulada VS tiempo. Ya sea a escala logarítmica o aritmética.
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UNA PUNO VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN: FORMATO DE LA PRUEBA DE INFILTRACIÓN Lugar: facultad de ciencias agraria UNA Puno Método: Por cilindros infiltrómetros Textura del suelo: Franco arenoso HORA
TIEMPO (min.)
LECTURA
LAM. INFIL. (cm.)
VEL. INFIL. (cm./hr)
Parcial
Acum.
(cm.)
Parcial
Acum.(La)
Inst. (Ii)
Prom.(Ip)
11:43:00
0
0
27.00
0
0
0
0
11:45:00
2
2
23.8
3.2
3.2
63
63
11:47:00
2
4
22.2
1.6
4.8
63
63
11:49:00
2
6
20.6
1.6
6.4
63
63
11:51:00
2
8
18.8
28.00 1.8
8
63
63
11:53:00
2
10
26.2
1.8
9.8
32
54.5455
11:55:00
2
12
24.6
1.6
11.4
32
49.7143
11:57:00
2
14
23.1
1.5
12.9
36
46.1053
12:00:00
3
17
28.00
21.5
1.6
14.5
28.8
42.5
12:03:00
3
20
24.5
3.5
18
26.4
39.7241
12:08:00
5
25
22.4
28.00
2.1
20.1
21.6
37.0588
12:13:00
5
30
24.1
3.9
24
23.4
35.3077
12:23:00
10
40
28.00
20.00 4.1
28.1
20.1
32.2041
12:33:00
10
50
20.5
28.00 7.5
35.6
24
30.8136
12:53:00
20
70
28.00
21.5 6.5
42.1
20.4
29.3043
13:13:00
20
90
19.02
13:43:00
30
120
28.00
8.8
50.9
21
28.2532
18.8
9.2
60.1
16.5
25.8788
-8-
UNA PUNO Infiltración acumulada (I): I = A x tB Ln I = Ln A+ B Ln t Y =Ao+Bx Ao= 0.221919081 A = atilog Ao = 1.666936699 = 1.67 B = 0.71097926815 = 0.71 r = 0.995292647 = 0.99
I = 1.67 t 0.71
a) Infiltración instantánea (i): (d I / d t)= i i = 0.71 * 1.67 to 0.71-1 i = 1.1857 to -0.29 cm/min.
i = 71.142 to -0.29 cm/hr.
b) Infiltración básica: i = ato b → tiempo de oportunidad ib = atb b → tiempo básico
ib = 71.142 (174min)-0.29
tb =-600 (b) (min.)
ib = 15.94 cm. /hr)
tb = -600 ( -0.29) ib = 159.4 mm. /hr) tb = 174 min.
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UNA PUNO c) Infiltración Promedio: Ip= I/ t Ip = ((a t b+1)/ (b+1)) /t Ip = (a t b )/ (b+1)
Ip = 100.2 t-0.29 cm. /hr.
Ip= (71.142 t-0.29)/ (-0.29+1)
GRAFICO DE INFILTRACIÓN ACUMULADA VS. TIEMPO I = 1.67 t 0.71 Ia (cm)
I = 1.67 t 0.71
Tiempo (min)
Tiempo (min.)
Ia (cm.)
Tiempo (min.)
Ia (cm.)
1
1.67
130
52.92
10
8.56
140
55.78
20
14.01
150
58.58
- 10 -
UNA PUNO 30
18.68
160
61.33
40
22.92
170
64.02
50
26.85
180
66.67
60
30.56
190
69.28
70
34.09
200
71.85
80
37.49
210
74.38
90
40.76
220
76.88
100
43.93
230
79.35
110
47.00
240
81.78
120
49.99
250
84.19
GRAFICO DE INFILTRACIÓN INSTANTANEA VS. TIEMPO i = 71.142 to -0.29 cm/hr.
- 11 -
UNA PUNO i (cm/hr)
i = 71.142 to-
0.29
Tiempo (min)
Tiempo (min.)
i (cm./hr)
Tiempo (min.)
i (cm./hr)
1
71.142
130
17.34
10
36.48
140
16.97
20
29.84
150
16.64
30
26.53
160
16.33
40
24.4
170
16.04
50
22.88
180
15.78
60
21.70
190
15.53
70
20.75
200
15.30
80
19.96
210
15.09
90
19.29
220
14.89
100
18.71
230
14.69
- 12 -
UNA PUNO 110
18.20
240
14.52
120
17.75
250
14.35
GRAFICO DE INFILTRACIÓN PROMEDIO VS. TIEMPO Ip = 100.2 t-0.29 cm. /hr.
Ip (cm/hr)
Ip = 100.2 t- 0.29
Tiempo (min)
Tiempo (min.)
Ip (cm./hr)
Tiempo (min.)
Ip (cm./hr)
1
100.2
130
24.42
10
51.39
140
23.91
20
42.03
150
23.43
30
37.37
160
22.99
- 13 -
UNA PUNO 40
34.38
170
22.59
50
32.22
180
22.22
60
30.56
190
21.88
70
29.23
200
21.56
80
28.12
210
21.25
90
27.17
220
20.97
100
26.36
230
20.69
110
25.64
240
20.45
120
24.99
250
20.21
VII. CUESTIONARIO: 1. ¿Qué función tiene el cilindro exterior? El cilindro exterior al tener también agua en el mismo nivel que el cilindro interior evita de esta manera que el agua que está infiltrando se desvíe a los costados donde se está realizando la prueba de infiltración. 2. Sugerir sobre el tamaño y material de los cilindros utilizados El tamaño mas adecuado de los cilindros usados para la prueba de infiltración es de 40-50 cm. de alto, y con un diámetro 40-45 cm. para el cilindro exterior y 30-35 cm. para el cilindro interior. Con respecto al material debe ser de acero galvanizado, para evitar la oxidación del mismo puesto que se trabaja con agua. 3. ¿Cómo interpreta los resultados obtenidos?
La infiltración básica con respecto a la textura del suelo (que es franco arenoso) es 159.4 mm/hr. , quiere decir que la infiltración es rápida es por eso que los intervalos de
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UNA PUNO tiempo en el cual se han medido la infiltración son cortos. Además la lectura inicial del agua y la lectura actual no debe ser mayor a cinco, si esto ocurre entonces se debe agregar agua.
En el grafico de infiltración acumulada la pendiente es positiva, pero ocurre una cosa diferente en la pendiente de la infiltración instantáneas y la infiltración promedio, esto ocurre porque el exponente de t que es b (pendiente de la función que varía entre 0 y1en la infiltración instantánea y la infiltración promedio; en la infiltración acumulada varia entre 0-1), tiene signo positivo en el caso de la primera y su signo es negativo en la infiltración instantánea y promedio.
4. ¿Qué puede decirse sobre los valores de los parámetros de las funciones obtenidas respecto a la textura del suelo?
En el caso de la infiltración instantánea, a (coeficiente de velocidad de infiltración para to =1 min.), es medio por la textura franco arenoso del suelo en el que se ha realizado la práctica de la infiltración
En el caso de la infiltración acumulada la lamina total infiltrada es 58.1 cm, lo cual indica que la infiltración es rápida ya que el tiempo en el cual se ha realizado la practica de la infiltración ha sido 169 minutos solamente, en comparación con otras practicas de infiltración realizadas anteriormente en otro tipo de suelo con diferente textura indica que en un mayor tiempo la infiltración totales menor.
En la infiltración básica como ya se ha indicado anteriormente es alto por se 159.4 mm/hr.
5. ¿El número de pruebas de infiltración por área, a que factor se ajustaría? Existen diferentes criterios sobre este aspecto, sin embargo, dependiendo del proyecto y la importancia que el mismo signifique, deben realizarse como mínimo cuatro o más pruebas en sitios
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UNA PUNO uniformemente espaciados sobre el campo de absorción propuesto. En situaciones de exploración, para un proyecto de viviendas, cuando se trabaja con los terrenos en verde, los sitios de prueba deben estar separados 30 metros pero nunca más de 50 metros. Para el caso de viviendas unifamiliares, es conveniente la realización de dos pruebas.
Un primer factor sería que el área en estudio no es totalmente homogéneo en cuanto a textura, pendiente, etc.; es por eso que se necesitaría realizar mayor número de pruebas.
Para cotejar las respuestas y obtener la infiltración lo más correctamente posible y que se ajuste al las condiciones del suelo, es por eso que es necesario realizar varias pruebas de infiltración.
VIII. BIBLIOGRAFÍA: 1. Losada, A. y otros. Fundamentos de la hidrología y de la práctica de los riegos. Madrid: Ediciones Mundi-Prensa, 1997. 2. Pascual España, Bernardo. El riego: principios y prácticas. Valencia: Universidad Politécnica, 1990. 3. Gómez Pompa, Pedro. Apuntes de riego. Madrid: P. Gómez Editor, 1996.
ANEXO:
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UNA PUNO
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