FACULTAD: INGENIERIA Y ARQUITECTURA.

ESCUELA: INGENIERIA AMBIENTAL

TEMA:

INFORME DE INFILTRACION

CURSO : HIDROLOGIA

DOCENTE : BLGO. FLORES CALLA ,David

ALUMNOS :

MAMANI HANCCO, Iván Romario

CONDORI QUISPE, Andrea

LOZA CUENTAS, Jorge

ALCAZAR, Jean Carlos

SEMESTRE_: VI

Juliaca, Perú 2015

1.-INTRODUCCION

La cuantificación del fenómeno de infiltración tiene dos grandes aplicaciones:Agricultura de Secano: Interesa conocer la capacidad de infiltración de un suelo

para evaluar la cantidad de agua infiltrada por una lluvia en particular (Intensidad de precipitación vs I) en un lote cultivado, o la infiltración promedio de una zona determinada. Asociando la infiltración con los datos del perfil hídrico de la zona enraizable, puede estimarse el consumo de agua de los cultivos, por un lado, y la cantidad de agua que recargará el acuífero, por el otro. Aquí se desprende otra importante aplicación que resulta del conocimiento certero de la capacidad de infiltración.

Por otra parte, muchas de las prácticas agronómicas que evitan la degradación del suelo tienen como objetivo principal aumentar la capacidad de infiltración. Sirve también como información de base de modelos matemáticos de simulación de cultivos.

Agricultura regadía: Para el diseño de riego por superficie es fundamental conocer la infiltración acumulada, en riego por aspersión con sistemas estacionarios interesa la velocidad de infiltración básica y en el diseño de riego con pivote central se necesita la ecuación de velocidad de infiltración. Es decir que en diseño de los principales métodos de riego interviene la infiltración.

2.-OBJETIVOS

Que el alumno sea capaz de Comprender el proceso de infiltración del agua a través del suelo Ejercitar métodos de campo para determinar la capacidad de infiltración. Calcular los parámetros de la curva con diferentes métodos de ajuste. Utilizar las aplicaciones agronómicas y tecnológicas más importantes de la

infiltración acumulada, velocidad de infiltración e infiltración básica.

3-PROCEDIMIENTO

i. El proceso de infiltración Infiltración es el proceso por el cual el agua penetra en el suelo, a través de su

superficie en contacto con la atmósfera. Posteriormente se moverá en el subsuelo de acuerdo a diferentes procesos, pudiendo recargar el perfil hídrico, percolar por debajo de la zona radical hacia los acuíferos, conformar el flujo subsuperficial o hipodérmico que termina en un área de drenaje (bajos, ríos, etc). Su importancia radica en que el agua infiltrada constituye el principal sustento de la vegetación y origen de las aguas subterráneas. El análisis conceptual de la infiltración es común a condiciones naturales (precipitaciones) o de regadío, aunque en este caso las condiciones de aplicación son controladas.

ii. Factores que afectan la infiltración Hay dos grupos de factores que influyen en el proceso de infiltración:2.1 Factores que definen las características del terreno o medio permeable2.2 Factores que definen las características del fluido que se infiltra.Dentro del primer grupo de factores se pueden mencionar:

2.1.1 Cobertura del suelo Un suelo desnudo recibe el impacto directo de las gotas de lluvia, que provoca un

mecanismo particular de desagregación y rotura de las fracciones de mayor tamaño en otras más finas que luego tapan y bloquean los poros del suelo. Este sellado superficial recibe el nombre de “costras” y su efecto es notable en la disminución de la infiltración. Las condiciones texturales y estructurales condicionan este problema, pero si se aumenta la cobertura vegetal está ampliamente demostrado que se reducen los efectos de la compactación por lluvias. También aumenta la rugosidad del terreno, disminuyendo la velocidad de escurrimiento superficial y aumentando el tiempo de contacto con la superficie del terreno, todos aspectos favorables para el aumento de la infiltración. Finalmente, las raíces superficiales cuando mueren, generan macroporos y grietas vinculadas entre sí que facilitan la infiltración. Similar efecto producen algunos organismos que viven en el suelo (lombrices, etc.).

2.1.2 Pendiente del terrenoLa pendiente influye en el tiempo de contacto entre el agua y la superficie del suelo.

Cuando es abrupta, aumenta la velocidad y disminuye el tiempo de contacto. Para corregir este problema deben considerarse prácticas de cultivo (contorno, cobertura vegetal permanente, etc) y si no fuera suficiente recurrir a prácticas como terrazas de absorción y de drenaje, de acuerdo al régimen de lluvias. Este aspecto se menciona en el práctico correspondiente a erosión.

2.1.3 TexturaLa textura de un suelo influye directamente en la infiltración (tamaño de poros) e

indirectamente a través de la estabilidad de sus agregados. Altas proporciones de limo y arena entre fina y muy fina generan agregados poco estables, con la consecuencia de su rotura y bloqueo de poros y grietas. Los suelos ligeros de textura gruesa generan poros de mayor tamaño que favorecen la entrada de agua al suelo. Por otro lado, alta proporción de poros pequeños (microporos) en suelos arcillosos, limita rápidamente la capacidad de infiltración. Cuando se analiza la relación entre la precipitación y la escorrentía superficial, se clasifican en “grupos hidrológicos” diferentes tipos de suelos en función de su textura. En ese caso, la clasificación es inversa que en infiltración- suelos ligeros menor escorrentía, suelos pesados, mayor- pero demuestra la importancia de la textura. Suelos expansivo y vérticos también limitan rápidamente la capacidad de infiltración.

2.1.4 EstructuraLos problemas de compactación superficial y subsuperficial (pisoteo de ganado o

máquinas, pie de arado o de disco) disminuyen drásticamente la capacidad de infiltración. La pérdida de materia orgánica en el horizonte superficial, por laboreos excesivos u otras prácticas culturales, conduce a una menor agregación o estabilidad de agregados, aumento de microporos y finalmente una menor capacidad de infiltración.

En síntesis, todos los problemas asociados a la degradación del suelo y pérdida de su estructura, repercuten negativamente en la infiltración.

2.1.5 Profundidad del perfilLa presencia de diferentes estratos u horizontes en un suelo, en función del desarrollo

alcanzado, condicionan la infiltración. El horizonte superficial (A), sin degradar, tienen en general mayor capacidad de infiltración. El B, cuando existe, limita en mayor o menor medida la capacidad de infiltración, siendo los horizontes vérticos los más problemáticos. Con la presencia de horizontes fuertemente texturales, cuando se quiere determinar la infiltración con métodos de campo, rápidamente se limita la capacidad de infiltración y se

supone que no permite el paso de agua hacia horizontes más profundos. Sin embargo, los diferentes acuíferos de la región central de Santa Fe (con mayoría de estos horizontes) son recargados por el excedente de las precipitaciones.

2.1.6 Condiciones de humedad inicialLa humedad inicial juega un importante papel en la infiltración. En un suelo

inicialmente más seco al comienzo de una lluvia, se genera una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores, que junta a la acción de la gravedad incrementa la intensidad de la infiltración. Cuando el contenido hídrico de los horizontes superficiales alcanza a capacidad de campo, actúan solamente las fuerzas gravitatorias y la infiltración comienza a disminuir.

En el segundo grupo influye2.2.1 Intensidad de precipitaciónLas lluvias intensas tienen mayor proporción de gotas grandes, responsables de

disgregar las partículas del suelo y provocar problemas de bloque de poros, como ya fue analizado. Por otra parte, una precipitación con alta intensidad supera rápidamente la velocidad de infiltración, provocando un menor aprovechamiento del total de agua caída.

2.2.2 Propiedades del fluido La temperatura del agua modifica la viscosidad y tensión superficial, aspectos que

son importantes en la infiltración. A mayor temperatura, menor viscosidad y menor resistencia a la fricción, por ende aumenta la infiltración.

2.2.3 Problemas asociados con el riegoUn aspecto particular a mencionar, que luego se verá en detalle en el práctico de

Calidad de Aguas para riego, lo constituye la influencia del riego suplementario con aguas bicarbonatadas-sódicas, alternado con precipitaciones sobre las propiedades del suelo que alteran la infiltración. En términos generales, el sodio se incorpora en el complejo de intercambio provocando la dispersión de los coloides orgánicos e inorgánicos, lo cual disgrega las partículas del suelo, aumentando los microporos. Además, aquellas son trasladadas por el movimiento descendente del agua y producen el bloqueo de los poros.

El incremento de la salinidad de la solución del suelo mejora la estabilidad de los agregados y mantiene floculados los coloides, pero las precipitaciones diluye la solución y sobreviene la dispersión.

El uso de aguas con partículas en suspensión (aguas turbias), amén de los problemas que ocasiona en los componentes mecánicos del sistema, sella paulatinamente los poros y por ende disminuye la infiltración. Este proceso está en función de la cantidad de y tipo de sedimentos aportados por el agua.

iii. Ecuaciones de predicciónLa infiltración se produce básicamente en un medio poroso no saturado y ha sido

conceptualizada mediante ecuaciones diferenciales parciales no lineales de tipo parabólico y unidireccionales (movimiento vertical), combinando las ecuaciones de Richards y Laplace para medios no saturados. Su resolución es compleja, requiere de programas computacionales de alta resolución, existentes sólo en esta década, por lo que desde hace muchos se intentó reemplazarlas por ecuaciones semiempíricas y totalmente empíricas (sin demasiados fundamentos conceptuales) pero que aportaron soluciones a problemas prácticos vinculados con el diseño y operación del riego. Las principales se detallan a continuación:

3.1 Ecuación de HortonHorton propuso la siguiente ecuación para la velocidad de infiltración:

(1)donde:f = velocidad de infiltraciónfo = velocidad inicial de infiltraciónfc = velocidad final de infiltraciónt = tiempok = constante3.2 Ecuación de PhilipPhilip dedujo una ecuación racional para la infiltración a partir de una serie de

hipótesis simplificatorias, a saber:a) El suelo es homogéneob) La ley de Darcy es aplicablec) No hay variaciones de temperaturad) El fenómeno de histérisis es despreciablee) La viscosidad es la fuerza dominanteLa ecuación resultante permite estimar la infiltración acumulada (Icum):

(2)t = tiempo (minutos)c = coeficiente que depende de las fuerzas capilares y es una propiedad del medio

poroso. Es importante en condiciones no saturadas.A = coeficiente que depende de las fuerzas capilares y gravitacionales. También se

la conoce con el nombre de sortividad y en cierta forma semeja la conductividad hidráulica del medio permeable en los primeros instantes con el contenido inicial de humedad.

Derivando respecto del tiempo se obtiene la ecuación de velocidad de infiltración (I):

(3)

El autor de la ecuación estimó que para tiempos prolongados (superiores a 48 hs) la ecuación dejaba de tener validez. En suelos con horizontes de diferentes texturas deja de tener aplicación, de allí su escaso uso práctico.

3.3 Ecuación de KostiakovConsiderando las limitaciones de las ecuaciones anteriores, es ampliamente

utilizada una ecuación empírica desarrollada en 1932 por Kostiakov:(4)(5)

a = A x B x 60 (6)b = B –1 (7) donde A y B son parámetros de ajuste y t es el tiempo. La ecuación 5 es la derivada

respecto del tiempo de Icum.Las unidades generalmente están en cm para Icum y minutos para el tiempo. Para I

se expresa en cm h-1, por esa razón se multiplica por 60.Dado que Icum decrece con el tiempo, 0 < B < 1 y por lo tanto el exponente b es

negativo. Esta ecuación no tiene fundamento físico ni es homogénea en unidades, pero se ajusta muy bien al fenómeno de infiltración y tiene mucha utilidad en riego, aspecto destacado por Philip en investigaciones posteriores. Analizando la ecuación 5, cuando el tiempo tiende a infinito, como b es negativo, I tiende a cero, lo cual físicamente no es cierto

y está en desacuerdo con la ley de Darcy, que para tiempos elevados el suelo se comportaría como un medio saturado e I debería tener valores próximos a Ko. Para corregir este problema, se propuso la ecuación de Kostiakov-Lewis:

(8)

(9)donde Vo es la velocidad constante cuando t tiende a infinito. Esta ecuación tien

otro parámetro más de ajuste, por lo que no es común su uso. Además, para tiempos prolongados deja de tener validez (tiempo superiores a 24-36 hs) dado que el suelo se va saturando e I se aproxima al valor de conductividad hidráulica (Ko). Por esta razón, el autor sugiere emplearla sólo cuando I > Ko, situación que ocurre en el inicio de la infiltración.

El parámetro A de la ecuación está relacionado con el valor de la infiltración inicial (Io), es decir cuando t = 1 minuto. Por lo tanto influyen en su valor las condiciones de humedad inicial y de compactación de la superficie del suelo. B es un parámetro relacionado más directamente con la textura del suelo y las modificaciones que se producen por su humedecimiento, de modo que suelos de baja capacidad de infiltración tienen bajos valores de B. Este parámetro sirve entonces para agrupar suelos por textura

3.4 Determinación de parámetros ecuación de KostiakovLos parámetros A y B se obtienen a partir de información obtenida en ensayos de

campo, tal como se verá más adelante. A continuación se analizarán los métodos de ajuste más habituales.

3.4.1 Método gráficoA la ecuación 4 se le aplica logaritmo, neperiano o decimal:

(10)De este modo se lineariza la ecuación transformándola en una rectay = m x + b (11)donde b = log (A) y m = B, que son los parámetros a obtener. Hace unos años se

utilizaba gráficos doble logarítmicos (ver fig 1), ploteando en abscisas el tiempo acumulado y en ordenadas la infiltración acumulada, para luego trazar a mano la recta que mejor se ajuste a los datos y encontrar los parámetros. B, que representa la pendiente de la recta, se obtiene directamente a partir de dos puntos cualesquiera, sólo que deben corresponder al mismo módulo de la gráfica. A es la ordenada al origen, que comienza con t = 1, por lo que se debe calcular el antilogaritmo de dicho valor.

Con el uso de planillas de cálculo se facilita la tarea, pues se copian dos columnas con los valores de Icum y t (cuidando de no comenzar en 0) y luego el programa (excel, qpro, etc) ajusta la ecuación potencial y presenta en pantalla los valores de A y B.

Figura 1: Curvas de Infiltración acumulada y Velocidad de Infiltración ajustadas con método gráfico

3.4.2 Método analíticoEn este caso se analizan los datos experimentales mediante el método de mínimos

cuadrados. Para su uso deben primeramente linearizarse los datos y recién después usar ese método. Las ecuaciones a utilizar son:

(12)

(13)

donde N es el número de observaciones realizadas.iv. Determinación de la capacidad de infiltración

Para determinar los parámetros de la ecuación de Kostiakov se realizan experiencias a campo en el sitio donde luego se va a utilizar la ecuación. Para ello se utilizan diferentes técnicas, en función de la utilidad de la ecuación. Por ejemplo, para riego por inundación el método de doble anillo es ideal. Para riego por surcos, es más conveniente medir la infiltración directamente en un surco preparado especialmente. Para riego por aspersión es conveniente utilizar simuladores de lluvia. En todos los caso se obtienen pares de valores (t; Icum) que luego serán ajustados por alguno de los procedimientos antes visto. Dado que se obtienen valores puntuales, es conveniente repetir los ensayos para evaluar la variabilidad zonal. El número de repeticiones dependerá de la heterogeneidad del suelo, cultivo y condiciones de manejo. Es importante destacar que para

cada repetición primero deben ajustarse los valores de A y de B, para recién después promediarse.

Cuando se realiza una prueba de infiltración por el método de doble anillo, debe ajustarse la ecuación de Icum y a partir de esta obtener los parámetros de I por derivación. Procediendo de manera inversa, se incurre en un error que será más grave cuando el intervalo de tiempo sea cada vez mayor.4.1 método doble anillo

Este método es muy utilizado en todo el mundo por su practicidad. Consiste en dos anillos metálicos concéntrico (ver fig 2), que pueden fabricarse localmente. Los anillos de 30 cm como mínimo el interior y 50 cm el exterior, pueden fabricarse de modo tal que se acoplen uno con otro, para ocupar menos espacio. Se recomienda reforzarles el borde superior para poder soportar los golpes necesarios para clavarlo. El borde inferior debe estar biselado para penetrar mejor en el suelo.

Para hincar los anillos se recomienda una maza que golpee sobre un taco de madera. El anillo interior debe estar hundido como mínimo 10 cm y el exterior la mitad.

El anillo exterior sirve para establecer las condiciones de borde, de modo que leflujo logrado es completamente unidimensional. En el anillo interior es donde va la regla

Figura 2: esquema de utilización del método de doble anillo

graduada para realizar las lecturas. Primero se vuelca agua en el exterior (5 cm, previamente marcados con tiza) y luego en el interior. La regla debe tener el cero a 7,5 cm del suelo y hasta ese valor se llena. Para efectuar las lecturas se recomienda un gancho invertido sujeto a la pared para poder visualizar bien su superficie. El nivel dentro del anillo interior no debe bajar de 5 cm, para lo cual debe agregarse agua cada vez que ese límite es superado. Una vez hecha la instalación y agregada el agua, se comienza la experiencia, poniendo en cero el cronómetro. En cada lectura medida se toma el tiempo. Las primeras cinco es conveniente medirlas cada minuto, luego dos o tres cada cinco minutos, dos cada 10 min, dos cada 15 min, dos cada 20 min, y luego cada hora hasta que la lectura se haga constante, pero no conviene superar las 24 hs.

Cuando se repone agua debe anotarse en la planilla. La tabla 1 resume los datos de campo obtenidos y su procesamiento. Además deben extraerse muestras de suelo para realizar gravimetría en el área adyacente al ensayo en dos profundidades (Ap y A12) y dentro del cilindro interior. En este caso debería extraerse una vez terminado el ensayo ( a dos profundidades), a las 24 hs y a las 48 hs, cubriendo el suelo con una lámina de polietileno.

Tabla 1: registro de datos prueba de infiltración de 1 ½ L de agua

TIEMPO DE INFILTRACION Hf00’.11’’.34º = 4.4 cm00’.42’’77º = 3.6 cm00’.01’’.49º = 1.7 cm

SOBRANTE AGUA 520 m/l - AVANZAMOS 1/2 K AL SUR

Tabla 2: registro de datos prueba de infiltración de 2L de agua

TIEMPO DE INFILTRACION H00 00 15 93 = 6.7 cm00 00 17 69 = 5.1 cm00 00 20 63 = 3 cm

SOBRANTE AGUA AGUA 700 m/l – 1.5k AL ESTE

Tabla 3: registro de datos prueba de infiltración de 3L de agua

TIEMPO DE INFILTRACION H00 00 53 44 = 11.6 cm00 05 06 34 = 11.2 cm00 07 46 59 = 10 cm

SOBRANTE AGUA AGUA 2L 470 m/l

DESARROLLO DEL PRÁCTICO

Al igual que otros, este práctico será desarrollado como parte de las actividades del nodo de integración Agroecosistemas I que se cursa simultáneamente. Incluirá tareas de campaña dentro del área de estudio del nodo, principalmente ensayos de infiltración con el método de doble anillo y en gabinete se realizarán los cálculos correspondientes. En clase se brindará una explicación del ensayo de doble anillos previo a la tarea de campo. Éstas serán coordinadas con los responsables del nodo I para realizarlas simultáneamente con otras actividades. Los alumnos serán divididos en grupos y se realizará una prueba en cada ambiente del área de estudio. Se entregará una lista detallada con los elementos que debe

llevar cada grupo, quedando a cargo de la cátedra la provisión de los doble anillos y otros elementos necesarios.

En clase se presentarán datos de infiltración de casos de la región y de diferentes tipos de suelos y condiciones de manejo, para comparar con los resultados obtenidos.

Los resultados de los prácticos 1 y 2 serán presentados en un único informe por grupo.

APLICACIONES

1. Realizar el ensayo del método de doble anillo en los diferentes ambientes seleccionados en el área de estudio (correspondientes al nodo de integración I), registrando convenientemente los datos, de acuerdo a la planilla presentada en clase.

2. Tomar las muestras de suelo para contenido hídrico dentro y fuera del doble anillo.

3. Representar gráficamente los valores de Icum vs t e I vs obtenidos a campo.4. Ajustar los parámetros A y B de Icum de acuerdo a los procedimientos gráfico y

analítico. Para el método gráfico se sugiere utilizar planilla de cálculo. Por derivación obtener a y b de I.

5. Estimar Ib con las ecuaciones 15 y 16 y compararlas con la gráfica correspondiente. Justificar el valor adoptado

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Custodio, E. y Llamas M. R. 1983 Hidrología Subterránea Tomo I. Ediciones Omega, Barcelona, España. 1157 p.

De Santa Olalla Mañas (editor) 1993. Agronomía del Riego. Ed. MundiPrensa, Madrid (biblioteca).

Fernández, P.; Luque, J. y Paolini, J. 1971. Análisis de la infiltración y su aplicación para diseño se riego en el Valle Inferior del Río Colorado. Revista Investigaciones Agropecuarias INTA Serie Clima y Suelo. Volumen VIII (1):4-29

Forsythe, W. 1975. Manual de laboratorio de Física de Suelos. IICA serie Libros y Materiales Educativos Nº 25, San José, Costa Rica. 212 p.

González, J.M y Jubillar, E.P. Riego por superficie I y II. Material inédito, Centro Nacional de Tecnología de Regadíos (CENTER), IRYDA, España

Grassi C, 1987. Diseño y Operación del Riego por superficie. Ed. CIDIAT Venezuela. 415 p

Villafañe R. 1998. Diseño agronómico del riego. Fundación Polar. Maracay- Venezela, 147 p.