República bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular Para La Defensa Universidad Nacional Experimental de las Fuerzas Armadas Núcleo Portuguesa - Sede Guanare
BACHILLERES José Zanchez C.I 24018937 “B” Andrus Mirabal C.I. 21160433 Rafael Rivero C.I 25912376 ING. ANIBAL CASTILLO
Génesis Ramos C.I. 21526270 Elison Torres C.I. 21525430
V SEMESTRE SECCIÓN “A”
Jorge Montilla C.I.20317937
INDICE PÁG. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………… 3 INFILTRACIÓN……………………………………………………………………… .. 4 PROCESOS DE LA INFILTRACIÓN……………………………………………… .. 4-5 FACTORES QUE REGULAN LA INFILTRACIÓN………………………………. 5-6 TIPOS DE AGUA QUE HAY EN EL SUELO ……………………………………….. 6 TRANSMISIVILIDAD DEL AGUA EN UN MEDIO POROSO …………………... 6-7 METODOS PARA MEDIR LA INFILTRACIÓN …………………………………... 7 INSTRUMENTOS USADOS PARA MEDIR LA INFILTRACIÓN ………………. 8 ESCORRENTÍA……………………………………………………………………… ... 8-9 TIPOS DE ESCORRENTÍA………………………………………………………… ...9-10 FACTORES QUE AFECTAN LA ESCORRENTÍA ……………………………….10-11 PROCESOS DE LA ESCORRENTÍA………………………………………………..11-12 INSTRUMENTOS USADOS PARA MEDIR LA ESCORRENTÍA ……………...…...12 RELACION INFILTRACIÓN – ESCORRENTÍA…………………………………. 13 CONCLUSIÓN………………………………………………………………………… . 14 BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………… 15 ANEXOS…………………………………………………………………………… 16-17
INTRODUCCIÓN Infiltración se define como el movimiento del agua, a través de la superficie del suelo y hacia adentro del mismo, producido por la acción de las fuerzas gravitacionales y capilares. La diferencia entre el volumen de 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 en los techos de las construcciones, la retención en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra), la evaporación y la infiltración. Además de que en la práctica es difícil separar estos cuatro componentes, la porción más considerable de las pérdidas está dada por la infiltración, por lo que es costumbre calcularlas conjuntamente bajo este nombre. La infiltración juega un papel de primer orden en la relación lluvia escurrimiento y, por lo tanto, en los problema 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 de 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 la falta de herramientas adecuadas para su tratamiento. Por ello, en este capítulo se hará una revisión de los métodos existentes para el cálculo de la infiltración más completa que lo usual.
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INFILTRACIÓN Se dice que el agua precipitada sobre la superficie de la tierra, puede quedar detenida, se puede evaporar, discurrir por ella o penetra hacia el interior. Cualquiera de las condiciones antes nombraba puede ocurrir, entonces se puede definir como infiltración al paso del agua de la superficie hacia el interior del suelo. Este es un proceso que depende fundamentalmente del agua disponible a infiltrar, la naturaleza del suelo, el estado de la superficie así como también cantidades de agua y aire inicialmente presentes en su interior. En una primera etapa satisface la deficiencia de humedad 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. Cabe destacar que 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. Se puede decir que la infiltración es un proceso mediante el cual el agua se transfiere desde la propia superficie del terreno hacia la profundidad, para que esto ocurra depende de la morfología y composición de dicho terreno. “ I nf iltr ación se define como el movi mi ento del agua a tr avé s de la super ficie del
suelo y asídentro del mismo, producido por la acción de fuerzas gravitacionales y capilares”. (Francisco Javier Aparicio Mijares)
PROCESO DE INFILTRACIÓN Dicho proceso de infiltración puede ser posible o continuar si hay espacio disponible para el agua adicional en la superficie del suelo. El volumen disponible para el agua adicional depende de la porosidad del suelo y de la tasa a la cual el agua antes infiltrada puede alejarse de la superficie a través del suelo. La tasa máxima a la que el agua puede entrar en un suelo se conoce como capacidad de infiltración. Si la llegada del agua a la superficie del suelo es menor que la capacidad de infiltración, toda el agua se infiltrará. Además si la intensidad de precipitación en la superficie del suelo ocurre a una tasa que excede la capacidad de infiltración, el agua 4
comienza a estancarse y se produce la escorrentía sobre la superficie de la tierra, una vez que la cuenca de almacenamiento está llena. Esta escorrentía se conoce como flujo terrestre hortoniano. El sistema hidrológico completo de una línea divisoria de aguas se analiza a veces usando modelos de transporte hidrológicos, modelos matemáticos que consideran la infiltración, la escorrentía y el flujo de canal para predecir las tasas de flujo del río y la calidad del agua de la corriente. El proceso de infiltración de puede enumerar de la siguiente manera:
El agua entra en el suelo por las grietas y poros de mayor tamaño, por gravedad
De los poros de mayor tamaño pasa a los de menor tamaño, por capilaridad
La infiltración es un proceso que implica entrada y movimiento del agua del suelo
A su vez en dicho proceso intervienen tres sub-procesos
Entrada de agua al suelo
Retención de agua en el suelo
Movimiento del agua a través del suelo
FACTORES QUE REGULAN LA INFILTRACIÓN Para todo existen variantes o factores que condicionan o limitan el proceso que se quiera lograr o la acción que se quiera realizar, lo mismo pasa con la infiltración esta tiene ciertos factores que regulan su proceso o intervienen y deben ser considerados a la hora de que la misma ocurra, es por esto que la cantidad de agua que puede infiltrarse en un terreno, y la velocidad a la que puede hacerlo dependen de una serie de factores:
Condiciones de superficie : La compactación natural, o debida al tránsito, dificulta la penetración del agua y por tanto, reduce la capacidad de infiltración. Una superficie desnuda está expuesta al choque directo de las gotas de lluvia, que también da lugar a la compactación, lo que también disminuye la infiltración. Cuando un suelo está cubierto de vegetación (intercepta, para y recoge la lluvia) las plantas protegen de la compactación por impacto de lluvia, se frena el recorrido superficial del agua que está, así, más tiempo expuesta a su posible infiltración, y las raíces de las plantas abren grietas en el suelo que facilitan la penetración del agua. 5
La pendiente del terreno influye en el sentido de mantener más o menos tiempo una lámina de agua de cierto espesor sobre él. La especie cultivada, en cuanto define mayor o menor densidad de cobertura vegetal, y sobre todo, el tratamiento agrícola aplicado, influirán en la infiltración. En las áreas urbanizadas se reduce considerablemente la posibilidad de infiltración.
Características del terreno : La textura del terreno influye por sí y por la influencia en la estabilidad de la estructura, tanto menor cuanto mayor sea la proporción de materiales finos que contenga. Un suelo con gran cantidad de limos y arcillas está expuesto a la disgregación y arrastre de estos materiales por el agua, con el consiguiente llenado de poros más profundos. La estructura define el tamaño de los poros. La existencia de poros grandes reduce la tensión capilar, pero favorece directamente la entrada de agua.
Condiciones ambientales : La humedad inicial del suelo juega un importante papel. Cuando el suelo está seco al comienzo de la lluvia, se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto, se suma al de gravedad incrementando la intensidad de infiltración. A medida que se humedece, se hinchan por hidratación, las arcillas y coloides y cierran las fracturas y grietas disminuyendo la capacidad de infiltración. Por otra parte, el agua que alcanza el nivel acuífero es el total de la infiltrada menos la retenida por el suelo.
TIPOS DE AGUA QUE HAY EN EL SUELO Agua de adhesión: Agua retenida en el suelo por atracción molecular, formando una película en las paredes de la roca o en las partículas del suelo.
Agua de gravedad : Es el agua que se introduce y fluye a través del suelo por efecto de las fuerzas gravitatorias
Agua freática: Agua subterránea que se presenta en la zona de saturación y que tiene una superficie libre.
Agua higroscópica: Es el agua se mantiene fuertemente adherida a las partículas por fuerzas de adhesión de origen molecular. Forma una lámina alrededor de las partículas, cuyo espesor es de unas decenas de moléculas de agua
TRANSMISIVIDAD DEL AGUA EN UN MEDIO POROSO 6
Se define como “el caudal que se filtra a través de una franja vertical de terreno, de ancho la
unidad y de altura igual a la del manto permeable saturado de agua, bajo un gradiente hidráulico unidad y a una temperatura fija determin ada”. La transmisividad se puede definir como la capacidad de transmitir el paso del agua, la capacidad de transmisión de un suelo depende de:
La fuerza gravitacional G esta es constante
La presión matricial, esta fuerza de presión se ejerce entre el agua y el medio poroso
El Potencial matricial es la fuerza de unión entre la fase sólida del suelo y la líquida. Está relacionado con la absorción por capilaridad del agua.
METODO PARA MEDIR LA INFILTRACIÓN Para la medición de la infiltración en campo el método más utilizado, debido a su simplicidad, es el de los cilindros concéntricos. El cual consiste en dos cilindros de acero con un diámetro de 32 y 50 cm, los cuales se clavan en el suelo a una profundidad de al menos 10 cm. Estos cilindros presentan un espesor de 3 mm. El extremo superior de los anillos se les hace una pestaña de aproximadamente 13 mm de longitud, para facilitar los golpes al introducirlos en el suelo. El extremo inferior se hace afilado para facilitar la penetración. El terreno donde se realiza esta prueba debe estar nivelado, con su superficie libre de arvenses que obstaculicen el normal desarrollo de la prueba. Al colocar los cilindros, se debe buscar que estos no dañen demasiado la estructura del suelo, lo que se consigue asegurándose que estos están verticales al momento de clavarlos Los cilindros deben quedar concéntricos. Para iniciar la prueba se llena con agua el espacio definido por los dos cilindros, para lo cual se deja infiltrar el agua 10 minutos. Pasado este tiempo se llena hasta una altura conocida el cilindro interno y se toman medidas de la lámina infiltrada a intervalos de tiempo regulares. Con estas parejas de datos se construye la gráfica Velocidad de infiltración Vs Tiempo, para obtener el valor de la infiltración básica. Es recomendable si el terreno es grande, ejecutar esta operación en varias partes para obtener un promedio de las mediciones y así minimizar las variaciones en la infiltración debidas a la variabilidad del suelo.
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INSTRUMENTOS USADOS PARA MEDIR LA INFILTRACIÓN Para medir la infiltración de un suelo se usan los infiltrómetros, que sirven para determinar la capacidad de infiltración en pequeñas áreas cerradas, aplicando artificialmente agua al suelo. Los infiltrómetros se usan con frecuencia en pequeñas cuencas o en áreas pequeñas o experimentales dentro de cuencas grandes. Cuando en el área se presenta gran variación en el suelo y vegetación, ésta se subdivide en sub áreas relativamente uniformes, de las cuales haciendo una serie de pruebas se puede obtener información aceptable. Siendo la infiltración un proceso complejo, es posible inferir con los infiltrómetros la capacidad de infiltración de cualquier cuenca en forma cualitativa, pero no cuantitativa. La aplicación más favorable de este equipo se obtiene en zonas experimentales, donde se puede evaluar la infiltración para diferentes tipos de suelo y contenido de humedad.
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.
Simuladores de lluvia : 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.
ESCORRENTÍA El escurrimiento; es el agua que fluye por sobre la superficie del terreno hasta el cauce más cercano y sólo se produce en los eventos de lluvia, cuando la intensidad de la misma es superior a la tasa de infiltración, se produce un almacenamiento superficial que primero llena las depresiones del terreno, conformando el almacenamiento de retención, luego que las
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depresiones se han llenado se inicia el almacenamiento detención, el cual genera el escurrimiento. Se puede definir a la escorrentía como el agua generada por una cuenca en la forma de flujo superficial y por tanto constituye la forma más disponible del recurso. El estudio de la escorrentía reviste gran importancia en la planificación de recursos hídricos y en diseño de obras. En manejo de cuencas es muy importante puesto que ella es un reflejo del comportamiento y estado de una cuenca. También podemos decir que la escorrentía es la lámina de agua que circula en una cuenca de drenaje, es decir la altura en milímetros de agua de lluvia escurrida y extendida dependiendo la pendiente del terreno. El escurrimiento (gasto) de un cauce, normalmente se mide en las tres formas siguientes: 1) En unidades de gasto, volumen en la unidad de tiempo. (m3/s) o (Hm3/año). 2) En unidades de gasto unitario, (m3/seg./km2) o (Hm3/km2/año). 3) En lámina equivalente sobre la cuenca, en mm/día, mm/mes o mm/año. El escurrimiento total proveniente de una cuenca típica heterogénea tiene cuatro componentes:
Precipitación en los cauces (Lluvia que cae sobre la superficie libre de agua)
Escurrimiento superficial (flujo sobre el terreno),
Escurrimiento hipodérmico (escurrimiento subsuperficial)
Escurrimiento subterráneo.
TIPOS DE ESCORRENTÍA Escorrentía Superficial o Directa La Escorrentía Superficial o Directa es la precipitación que no se infiltra en ningún momento y llega a la red de drenaje moviéndose sobre la superficie del terreno por la acción de la gravedad. Corresponde a la precipitación que no queda tampoco detenida en las depresiones del suelo, y que escapa a los fenómenos de evapotranspiración. El proceso que describe el agua cuando se inicia un aguacero depende de las características del terreno: la 9
primera lluvia caída se invierte en llenar la capacidad de retención de la parte aérea de las plantas y en saturar el suelo. Cuando la capacidad de infiltración es inferior a la intensidad de la lluvia, el agua comenzará a moverse por la superficie del terreno. Se forma, entonces, una capa delgada de agua. Ésta se mueve por la acción de la gravedad según la pendiente del terreno y es frenada por las irregularidades del suelo y por la presencia de vegetación hasta incorporarse a la red de drenaje, donde se junta con los otros componentes que constituyen la escorrentía total.
Escorrentía Hipodérmica o Subsuperficial Es el agua de precipitación que, habiéndose infiltrado en el suelo, se mueve sub horizontalmente por los horizontes superiores para reaparecer súbitamente al aire libre como manantial e incorporarse a microsurcos superficiales que la conducirán a la red de drenaje.
Escorrentía Subterránea Es la precipitación que se infiltra hasta el nivel freático, desde donde circula hasta alcanzar la red de drenaje. La Escorrentía Superficial es la más rápida de todas y la Escorrentía Subterránea la más lenta (del orden del m/h). A parte de las tres formas referidas, la Escorrentía de un curso de agua está además constituida por la precipitación que cae directamente sobre su superficie de nivel, fracción que en la mayor parte de los casos reviste importancia muy escasa en relación con las otras aportaciones.
FACTORES QUE AFECTAN A LA ESCORRENTÍA La Escorrentía está influida por cuatro grupos de factores: meteorológicos, geográficos, hidrogeológicos y biológicos.
Los factores meteorológicos fundamentales son las precipitaciones y la temperatura. La duración, intensidad, frecuencia, tipo y extensión de las precipitaciones tienen un papel muy importante. La temperatura es representativa de las pérdidas de evaporación.
Los factores geográficos son la localización geográfica de la cuenca y su morfología. La localización geográfica comprende la latitud, longitud y altitud. La morfología, las pendientes de la cuenca, la importancia de las superficies de agua libre, el perfil de los cursos de agua. 10
Los factores hidrogeológicos comprenden fundamentalmente la permeabilidad de los terrenos y la profundidad de las capas freáticas.
Los factores biológicos comprenden fundamentalmente la cubierta vegetal y la acción humana.
PROCESOS DE LA ESCORRENTÍA Los componentes de la Escorrentía evolucionan según un ciclo que distingue cuatro fases en relación con el ritmo de las precipitaciones:
Primera fase: Período sin precipitaciones; Después de un período sin precipitaciones la Evapotranspiración tiende a agotar la humedad existente en las capas superficiales y a extraer agua de la franja capilar. Las aguas subterráneas alimentan a las corrientes superficiales descendiendo progresivamente su nivel piezométrico.
Segunda fase: Iniciación de la Precipitación; La Evapotranspiración cesa. Las aguas meteóricas son interceptadas por la vegetación, las superficies de agua libre, los cursos de agua y el suelo. En éste se infiltra una cantidad importante de agua que abastece su capacidad de almacenamiento; el excedente se mueve superficialmente en forma de Escorrentía Directa que alimenta débilmente los cursos de agua. Continúan las aportaciones de las corrientes subterráneas a los cursos superficiales, no interrumpiéndose el descenso de los niveles piezométricos de la capa freática.
Tercera fase: Precipitación máxima; Después de una cierta duración de la Precipitación, la cubierta vegetal apenas intercepta agua y prácticamente la totalidad de la Precipitación alcanza el suelo. Las capas superficiales del suelo están saturadas. Parte de las precipitaciones se infiltran, alimentando a la Escorrentía Hipodérmica, y a los acuíferos, originándose en éstos una elevación del nivel piezométrico. La Precipitación que no se infiltra origina Escorrentía Superficial que en esta fase alcanza su valor máximo. La Escorrentía Subterránea aumenta ligeramente. La escorrentía total alcanza igualmente su máximo valor, apareciendo las crecidas.
Cuarta fase: Posterior a la Precipitación; La lluvia cesa. La Escorrentía Superficial desaparece rápidamente. El suelo y subsuelo están saturados. Continúa la Infiltración de agua que está estancada en depresiones superficiales alimentando a la humedad del suelo, a la Escorrentía Hipodérmica y a las aguas subterráneas. Aparecen de nuevo los procesos de evapotranspiración. Los cursos de agua, alimentados únicamente por las Escorrentías Hipodérmica y Subterránea entran en régimen de decrecida. 11
El ciclo se cierra con la aparición de nuevo de la primera fase.
INSTRUMENTOS USADOS PARA MEDIR LA ESCORRENTÍA La medición de la escorrentía requiere de tres actividades: a) aforos, b) registro de niveles y c) determinación de la relaciones nivel-gasto. Los aforos se refieren a la medición de la escorrentía en un momento dado y en un lugar determinado. Los registros de niveles consisten en la medición y tabulación continua de los niveles de los cauces. La determinación de las relaciones nivel-gasto consiste en la preparación de curvas o ecuaciones para determinar el gasto o caudal a partir de los niveles medidos. En el anexo C se describe en más detalle algunos métodos de medición. Un aforo es la medición del caudal instantáneo de un cauce. Existen varios métodos de medición de la escorrentía los cuales se basan en diferentes principios físicos. Los métodos existentes se pueden catalogar en cuatro categorías: a) aforadores b) velocidad – área c) aforos químicos d) ultrasonido. El método más sencillo es el aforo volumétrico, el cual se puede realizar en cauces muy pequeños. Los aforadores son estructuras hidráulicas que permiten determinar el flujo en cauces y canales. Estos aparatos tienen la ventaja de su fácil uso, sin embargo sólo pueden ser utilizados en cauces medianos y pequeños. Los principales aforadores son: - Canaletas, Vertederos (triangular, rectangular), Orificios El método de Velocidad – Área; consiste en medir la velocidad del cauce con un correntímetro o con un flotante y luego se multiplica la velocidad por el área de la sección del cauce para obtener el caudal. Este método es el más utilizado en ríos medianos y grandes. En cauces muy pequeños es difícil obtener buenos resultados Los métodos de ultrasonido; son utilizados generalmente en tuberías y estiman la velocidad del flujo, la cual al multiplicarla por el área del conducto proporciona el caudal.
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RELACION INFILTRACIÓN – ESCORRENTÍA Unas de las diferencias que existen entre estos dos fenómenos, es que mientras que las escorrentías fluyen por la superficie terrestre, estas a su vez van infiltrándose lentamente en el terreno o suelo, dependiendo de las características y propiedades que dicho terreno tenga para la retención de líquidos. Las precipitaciones que no se infiltran, pasan a alimentar las escorrentías y cuencas. Ambos procesos son generados gracias a las precipitaciones y para que estos ocurran tienen que ocurrir las precipitaciones, ya sea con mayor intensidad o menor intensidad.
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CONCLUSION Como resultado de la investigación realizada es posible concluir que la infiltración está muy relaciona da a la superficie del suelo, ya que esta es una detención o es el agua que retiene el suelo que posteriormente se evapora, una característica de la infiltración se da cuando el suelo es una zona cercana a la superficie ya que no pasa de estar húmeda si no que pasa a estar en forma de agua subterránea. La infiltración en su proceso sigue cuando hay espacio disponible para que el agua no se estanque en la superficie del suelo. Por otro lado los tipos de agua que hay en el suelo se encuentran unas retenidas y otras subterráneas. Las escorrentías, mayormente recurren al cauce más cercano, el cual puede apreciarse cuando llueve, que a consecuencia de este fenómeno pueden ocurrir dos procesos como lo es el drenaje que recorre la superficie de un terreno y el otro la filtración que ocurre en el suelo, cabe destacar que esta filtración ocurrirá de forma rápida o lenta todo dependiendo del suelo en que se encuentre Los tipos de agua al igual que los tipos de escorrentías tienen mucho en común por lo que unas se pueden filtrar y las de escorrentías pueden convertir en aguas subterránea.
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BIBLIOGRAFIA
http://www.buenastareas.com/ensayos/Escorrent%C3%ADa/7170833.html
http://caminos.udc.es/info/asignaturas/grado_itop/415/pdfs/Capitulo%205.pdf
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/rojas.r/cap42303.pdf
http://caminos.udc.es/info/asignaturas/grado_itop/415/pdfs/Capitulo%206.pdf
http://ing.unne.edu.ar/pub/infi.pdf
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ANEXOS
INFILTRACION
Proceso mediante el cual se da la escorrentía
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Proceso de Infiltración y escorrentía en eventos de lluvia
Tipos de aguas que encontramos en el suelo
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