Unidad Didáctica 7: Infiltración PDF

UNIDAD DIDÁCTICA 7. INFILTRACIÓN Contenido general Infiltración del agua en el suelo. Mecanismos que influyen Importancia de la infiltración Medición. Infiltrómetros y Simuladores de lluvia. Curvas de infiltración. Datos de interés. Principales modelos de infiltración. Factores que influyen en la i...

UNIDAD DIDÁCTICA 7. INFILTRACIÓN Contenido general Infiltración del agua en el suelo. Mecanismos que influyen Importancia de la infiltración Medición. Infiltrómetros y Simuladores de lluvia. Curvas de infiltración. Datos de interés. Principales modelos de infiltración. Factores que influyen en la infiltración Dunne & Leopold (1978) Introducción El análisis de la infiltración durante el ciclo hidrológico, es de interés en relación con la precipitación y el escurrimiento. La infiltración, es evidente si se considera que la mayor parte de los vegetales la utilizan para su desarrollo agua infiltrada y luego para alimentar las aguas subterráneas de una región. Lo que significa que, del total de agua precipitada sobre la superficie de la tierra, una parte queda detenida (almacenamiento superficial temporal), otra discurre por (escorrentía superficial), y finalmente, una tercera parte penetra hacia el interior. De esta última fracción se dice que se ha infiltrado. La infiltración se define como el proceso, mediante el cual el agua penetra desde la superficie del terreno, hacia la superficie del suelo, quedando retenida por él y alcanzando el nivel acuífero incrementando en volumen acumulado. Superada la capacidad de campo del suelo, el agua desciende por la acción conjunta de las fuerzas capilares y de la gravedad. En virtud de ello algunos autores subdividen los conceptos, distinguiendo entre: infiltración propiamente dicha, como el paso del agua de la superficie al interior del suelo; y percolación o filtración, correspondiente a la circulación del agua en el interior del terreno, y que se halla en estrecha vinculación con la infiltración. Capacidad de Infiltración Horton (1933) denomina como capacidad de infiltración de un suelo, a la máxima cantidad de agua de lluvia que el mismo puede absorber en la unidad de tiempo y en condiciones previamente definidas. La relación entre la intensidad de la lluvia y la capacidad de infiltración es la que determina la cantidad de agua que penetra en el suelo y la que por escorrentía directa alimenta los cauces de las corrientes superficiales. 1 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra La capacidad de un suelo determinado para absorber agua de lluvia aplicada al mismo en forma continuada y excesiva decrece gradualmente a partir de un máximo al comienzo de la precipitación, hasta alcanzar un valor mínimo de infiltración, sensiblemente constante, por lo general dentro de un período no mayor a un par de horas. La ley de variación y la duración de tal decrecimiento son funciones del perfil del suelo. Horton relaciona la capacidad de infiltración con la duración de una lluvia de intensidad superior a aquélla en cada momento, mediante la ecuación. Donde: f capacidad de infiltración en el instante t fC valor constante de la capacidad de infiltración que se alcanza al cabo de un cierto tiempo f0 valor máximo de la capacidad de infiltración al comienzo de la lluvia k constante positiva que depende del tipo de terreno t tiempo transcurrido desde el comienzo de la lluvia. Los valores de fC y f0 deben ser obtenidos por medio de mediciones directas. La capacidad de infiltración de un suelo particular al comienzo de la precipitación, es función tanto del perfil del suelo como del contenido inicial de humedad que el mismo presente. 2 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra Cuando la intensidad de la lluvia sea menor que la capacidad de infiltración, se alcanzará una intensidad de infiltración inferior a la capacidad de infiltración. Esta constituye, por lo tanto, el valor máximo de la intensidad de infiltración, para condiciones predeterminadas del suelo. En ocasiones se sustituye la función “f” por su integral “F”, que permite calcular el volumen total de agua infiltrado en un tiempo t, mediante la expresión: Importancia de la in filtración - Determina la cantidad de agua que entra en el suelo por las precipitaciones, y con ello su humedad a lo largo del año. - El agua no infiltrada escurre superficialmente, y puede llegar a incorporarse a los cauces muy rápidamente, contribuyendo a la formación de avenidas Factores que afectan la capacidad de infiltración: tipo de suelo, el contenido de materia orgánica, el contenido de humedad del suelo, la cobertura vegetal y el año. Entrada superficial (cerrada por la acumulación de partículas) Transmisión a través del suelo (depende de lo diferentes estratos) La capacidad de almacenamiento (almacenamiento disponible depende de la porosidad, espesor del horizonte, y la humedad existente) Las características del suelo o medio permeable. Las características del Fluido que se infiltra. Características de las precipitaciones: Altura: lluvias muy prolongadas, aumentan la humedad del suelo, disminuye la velocidad de infiltración. Intensidad: lluvias muy intensas llegan a destruir la porosidad superficial del suelo e inducir el sellado del suelo y formación de costra. 3 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra Características del suelo; el tamaño de los poros, disposición y forma, incluyendo el uso del suelo. Características del suelo Textura Estructura Materia orgánica Profundidad Humedad existente Grupos de suelo según su capacidad de infiltración. (Musgrave y Holtan, 1964) Otros factores como: las ccaracterísticas de la cubierta vegetal (follaje, residuos depositados, raíces). Fauna del suelo (lombrices, topos, fauna edáfica que forman galerías en el suelo). Usos del suelo, (determinan el grado de compactación, sobrepastoreo, máquinas agrícolas, vehículos disminuyen la porosidad). 4 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra Comportamiento del suelo: - sellado de la superficie (sealing) y - formación de costra (crusting); - formación de grietas y expansión de las arcillas (seelling). - Hidrofobia Características del Suelo o medio permeable. Condiciones de superficie - Superficie desnuda - Agregados de las partículas - Suelo cubierto con vegetación - Especies cultivadas - Áreas Urbanas - Suelo fracturado Características del terreno. - La Textura y Estructura. - Temperatura del Suelo Condiciones Ambientales - Humedad inicial del suelo - Temperatura del suelo Características del Fluido - Espesor de la lámina - Intensidad de la lluvia mayor que la capacidad de infiltración. - Turbidez del agua - Contenido de sales - Temperatura del agua 5 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra Métodos para determinar la capacidad de infiltración. Unidades de medidas. Ensayos de Infiltración: Métodos directos: Valoran la cantidad de agua infiltrada sobre la superficie del suelo. Métodos indirectos: Determina la capacidad de infiltración de una cuenca controlada (datos precipitación, evaporación, y escorrentía A. Tipo Inundados/directos - Cilindros concéntricos - Cilindros excavados en el suelo, (MÜNTZ) S= πR (2h+R), para un tiempo, dt, pequeño par suponerlo constante la capacidad de infiltración f. B. Tipo Simulador de lluvia y Lisímetros/indirectos. El agua se distribuye en forma de lluvia, uniforme en un área pequeña (1 a 40m 2), para comprobar la uniformidad se colocan algunos pluviómetros. 𝑰 = 𝑷 − 𝑺 en su correspondiente intervalo de tiempo Cilindros Concéntricos Método de MÜNTZ Formula de Kostiakov-Lewis 6 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra Cilindro Excavado método de Porchet. 7 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra  Infiltración de Suelo Proyecto CIRESS 35 35 Infiltración Acumulada (cm) Velocidad de infiltracion (cm/h) 30 30 25 25 20 20 15 15 10 10 5 5 0 0 5 10 15 20 25 35 45 55 75 95 120 150 Velocidad Infil.Promedio cm/h Infiltracion Acumulada cm Tiempo Acumulación minutos 8 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra Análisis de hidrograma en cuencas pequeñas El hidrograma es un gráfico que representa el caudal en función del tiempo tal como: nivel de agua, caudal, carga de sedimentos, entre otros. Para un río, arroyo, canal, es el gráfico de la descarga (l3/t). Éstos pueden ser hidrograma de tormenta e hidrograma anuales, los que a su vez se dividen en perennes y en intermitentes. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hidrograma.png Con un limnígrafo instalado en la sección transversal del cauce, situada a cota inferior se tendrá un registro continuo de los niveles y su traducción a caudales, permitiendo deducir los volúmenes agua que se escurrirán superficialmente. El resto del agua precipitada será la suma de: Intercepción (I), detención superficial (S), evapotranspiración e infiltración. El Ciclo de Escorrentía Ciclo de escorrentía es el término que se emplea para describir aquella parte del ciclo hidrológico entre la precipitación que cae sobre un área y la descarga subsiguiente de esa agua a través de cauces o bien por evapotranspiración. Las aguas procedentes de las precipitaciones llegan al cauce del río por diferentes vías: escorrentía superficial, escorrentía subsuperficial, agua subterránea, lluvia que cae en el espejo de agua. 9 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra Estimación escorrentía usando Infiltración, se toma en consideración: 1) la intensidad de la lluvia puede fluctuar por encima y por debajo de la curva capacidad de infiltración; 2) la curva misma de capacidad de infiltración es función de las condiciones de humedad antecedente; 3) el histograma de una tormenta no es uniforme en todos los puntos de la cuenca. Índices de Infiltración. Las dificultades para medir la infiltración en grandes cuencas han permitido el empleo de diversos índices de infiltración, que deben correlacionarse con los factores indicativos de las condiciones iniciales de humedad del suelo y calcular el hidrograma de una cuenca en una tormenta determinada. Para hallar la capacidad de absorción media de una cuenca, se tiene que admitir: 10. Que la cuenca es uniforme; 20 que la escorrentía sea uniforme; 30 que la lluvia sea uniforme en su distribución espacial. Los índices de infiltración están relacionados con la escorrentía superficial y la infiltración de una cuenca; muchos autores restan la intensidad de la lluvia que se considera, a estima, superior que la capacidad de infiltración, una cantidad constante en el tiempo. Índices más divulgados: Índice de infiltración media ∅, es un valor promedio de infiltración (en mm/h) calculado a partir del yetograma de una tormenta, de manera tal que el volumen de precipitación en exceso respecto a dicho valor igual al volumen de precipitación efectiva: Φ= Pt – Pef Donde; Pt = total de agua precipitada o llovida Pef = total de agua genera escorrentía (precipitación o lluvia efectiva) tef = tiempo durante el cual la intensidad de la precipitación es mayor Φ 10 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra La definición surge que el valor correspondiente a este índice incluye todas las porciones de precipitación que no llegan a discurrir superficialmente a través de la sección de la cuenca considerada, o sea que engloba las alturas de lámina de agua correspondientes a: infiltración (I), intercepción (i) y almacenamiento (o retención) superficial durante la crecida (S). Cabe tener en cuenta que parte del agua que se registra como superficial a su paso por la sección de control puede haber penetrado antes en el terreno y percolado a través de él, para verter finalmente al cauce de aguas vistas. Para su determinación se requiere contar, por una parte, con el hidrograma de salida, y por otra, con el yetograma del aguacero correspondiente. Para aplicar el índice Φ, el cual tiene que ser previamente obtenido para la cuenca en estudio, se requieren mediciones de caudal y de lluvia en la forma que se describe a continuación. Se tiene de un lado el hidrograma de la cuenca (gráfico Q-t) Y de otro la tormenta que lo provocó (gráfico i-t). 11 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra Índices w. Este constituye un refinamiento del anterior al excluir en su determinación las retenciones por almacenamiento superficial (E) e intercepción (I). Su expresión es: Del mismo modo que el índice Ø, se determina trazando una paralela al eje de los tiempos que limite en el yetograma un área equivalente a la suma de los volúmenes de escorrentía superficial y la retención superficial, el primero medido en la estación de aforos y el segundo estimado. Existen otros índices como: Índice W Mínimo. Este índice se calcula cuando el suelo presenta condiciones de elevada humedad y la capacidad de infiltración ha alcanzado su valor mínimo final constante. Se lo utiliza primordialmente en estudios del potencial máximo de inundación. Absorción Inicial La absorción inicial, a veces llamada pérdida inicial, se define como la máxima cantidad de precipitación que puede ser absorbida por el suelo bajo condiciones específicas sin que se produzca escurrimiento Volumen de Agua de infiltración Nos interesa, la intensidad de infiltración, un valor global del agua infiltrado en periodo de tiempo más largo (un mes, una estación, un año) que es, en definitiva, el que permitirá estimar, racionalmente, cuál debe ser el volumen de explotación de los recursos de agua subterránea, sin mermar la reservas. Ejemplo de calcular la evapotranspiración de una zona. (Datos de lluvia, evapotranspiración potencial, etc.). El proceso de infiltración del agua en el suelo ha sido estudiado intensamente debido a su importancia: en el manejo de agua en la agricultura, la conservación de suelos y en actividades silvoagropecuarias. La velocidad de infiltración determina: la cantidad de agua que se escurre superficialmente (erosión) durante inundación provocadas por lluvias intensas. En métodos de riego (tiempo de riego) y en los diseños tamaño de la unidad por área; caudales a utilizar. En el estudio de recarga de acuíferos. 12 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra Referencias consultadas. 1] Custodio, Emilio; Llamas, Manuel Ramón. Hidrología Subterránea Tomo I. Ediciones Omega, S.A. Barcelona, España, 1993. 2] Chereque Morán, Wendor. HIDROLOGIA para estudiantes de Ingeniería civil. Universidad Católica Pontificia del Perú. Segunda impresión. 3] Heras, Rafael. Manuel de Hidrología Centro de Estudios Hidrográficos, Madrid 1970 4] Ortiz Villanueva, B.; Ortiz S., C. Alberto. Edafología, Universidad de Chapingo México. 1980. Universidad de Concepción. Facultad de Ingeniería Agrícola, Chillán 2008 5] Pizarro T. Dr. Ing. Roberto; Flores V., Ing. Juan Pablo; Sanguesa P, Ing. Claudia; Martínez A., Ing. Enzo Sociedad Estándares de Ingeniería para aguas y suelos LTDA. Módulo 3 Curvas de Infiltración. 6] SEGERER, Carlos D.; VILLODAS, Esp. Rubén. HIDROLOGIA I. UNIDAD 7: INFILTRACIÓN Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ingeniería, Ingeniería Civil, 2006. 7] Springall, Rolando. Hidrología. Universidad autónoma de México 1976 13 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra