Practico Infiltracion 2

Universidad Nacional del

Litoral

Facultad de Ciencias Agrarias

Cátedra Diagnóstico y Tecnología de Aguas

Paulo Marano

PRACTICO 2

Infiltración del agua en el suelo

INTRODUCCIÓN

La cuantificación del fenómeno de infiltración tienedos grandes aplicaciones:

Agricultura de Secano: Interesa conocer la capacidad deinfiltración de un suelo para evaluar la cantidad de aguainfiltrada por una lluvia en particular (Intensidad deprecipitación vs I) en un lote cultivado, o la infiltraciónpromedio de una zona determinada. Asociando la infiltracióncon los datos del perfil hídrico de la zona enraizable, puedeestimarse el consumo de agua de los cultivos, por un lado, yla cantidad de agua que recargará el acuífero, por el otro.Aquí se desprende otra importante aplicación que resulta delconocimiento certero de la capacidad de infiltración.

Por otra parte, muchas de las prácticas agronómicas queevitan la degradación del suelo tienen como objetivoprincipal aumentar la capacidad de infiltración. Sirvetambién como información de base de modelos matemáticos desimulación de cultivos.

1

Agricultura regadía: Para el diseño de riego por superficiees fundamental conocer la infiltración acumulada, en riegopor aspersión con sistemas estacionarios interesa lavelocidad de infiltración básica y en el diseño de riego conpivote central se necesita la ecuación de velocidad deinfiltración. Es decir que en diseño de los principalesmétodos de riego interviene la infiltración.

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 deinfiltración e infiltración básica.

PROCEDIMIENTO

1. 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 laatmósfera. Posteriormente se moverá en el subsuelo de acuerdoa diferentes procesos, pudiendo recargar el perfil hídrico,percolar por debajo de la zona radical hacia los acuíferos,conformar el flujo subsuperficial o hipodérmico que terminaen un área de drenaje (bajos, ríos, etc). Su importanciaradica en que el agua infiltrada constituye el principalsustento de la vegetación y origen de las aguas subterráneas.El análisis conceptual de la infiltración es común acondiciones naturales (precipitaciones) o de regadío, aunqueen este caso las condiciones de aplicación son controladas.2. Factores que afectan la infiltración

2

Hay dos grupos de factores que influyen en el proceso deinfiltración:

2.1 Factores que definen las características del terrenoo medio permeable

2.2 Factores que definen las características del fluidoque 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 dedesagregación y rotura de las fracciones de mayor tamaño enotras más finas que luego tapan y bloquean los poros delsuelo. 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 esteproblema, pero si se aumenta la cobertura vegetal estáampliamente demostrado que se reducen los efectos de lacompactación por lluvias. También aumenta la rugosidad delterreno, disminuyendo la velocidad de escurrimientosuperficial y aumentando el tiempo de contacto con lasuperficie del terreno, todos aspectos favorables para elaumento de la infiltración. Finalmente, las raícessuperficiales cuando mueren, generan macroporos y grietasvinculadas entre sí que facilitan la infiltración. Similarefecto 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 lavelocidad y disminuye el tiempo de contacto. Para corregireste problema deben considerarse prácticas de cultivo(contorno, cobertura vegetal permanente, etc) y si no fuerasuficiente recurrir a prácticas como terrazas de absorción yde drenaje, de acuerdo al régimen de lluvias. Este aspecto semenciona 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 dela estabilidad de sus agregados. Altas proporciones de limo y

3

arena entre fina y muy fina generan agregados poco estables,con la consecuencia de su rotura y bloqueo de poros ygrietas. Los suelos ligeros de textura gruesa generan porosde 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 deinfiltración. Cuando se analiza la relación entre laprecipitación y la escorrentía superficial, se clasifican en“grupos hidrológicos” diferentes tipos de suelos en funciónde su textura. En ese caso, la clasificación es inversa queen infiltración- suelos ligeros menor escorrentía, suelospesados, mayor- pero demuestra la importancia de la textura.Suelos expansivo y vérticos también limitan rápidamente lacapacidad de infiltración.

2.1.4 EstructuraLos problemas de compactación superficial y

subsuperficial (pisoteo de ganado o máquinas, pie de arado ode disco) disminuyen drásticamente la capacidad deinfiltración. La pérdida de materia orgánica en el horizontesuperficial, por laboreos excesivos u otras prácticasculturales, conduce a una menor agregación o estabilidad deagregados, aumento de microporos y finalmente una menorcapacidad de infiltración.

En síntesis, todos los problemas asociados a ladegradación del suelo y pérdida de su estructura, repercutennegativamente en la infiltración.

2.1.5 Profundidad del perfilLa presencia de diferentes estratos u horizontes en un

suelo, en función del desarrollo alcanzado, condicionan lainfiltración. 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 deinfiltración, siendo los horizontes vérticos los másproblemáticos. Con la presencia de horizontes fuertementetexturales, cuando se quiere determinar la infiltración conmétodos de campo, rápidamente se limita la capacidad deinfiltración y se supone que no permite el paso de agua haciahorizontes más profundos. Sin embargo, los diferentesacuíferos de la región central de Santa Fe (con mayoría de

4

estos horizontes) son recargados por el excedente de lasprecipitaciones.

2.1.6 Condiciones de humedad inicialLa humedad inicial juega un importante papel en la

infiltración. En un suelo inicialmente más seco al comienzode una lluvia, se genera una fuerte capilaridad alhumedecerse las capas superiores, que junta a la acción de lagravedad incrementa la intensidad de la infiltración. Cuandoel contenido hídrico de los horizontes superficiales alcanzaa capacidad de campo, actúan solamente las fuerzasgravitatorias 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 yprovocar problemas de bloque de poros, como ya fue analizado.Por otra parte, una precipitación con alta intensidad superarápidamente la velocidad de infiltración, provocando un menoraprovechamiento 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 ala 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, loconstituye la influencia del riego suplementario con aguasbicarbonatadas-sódicas, alternado con precipitaciones sobrelas propiedades del suelo que alteran la infiltración. Entérminos generales, el sodio se incorpora en el complejo deintercambio provocando la dispersión de los coloidesorgánicos e inorgánicos, lo cual disgrega las partículas delsuelo, aumentando los microporos. Además, aquellas sontrasladadas por el movimiento descendente del agua y producenel bloqueo de los poros.

El incremento de la salinidad de la solución del suelomejora la estabilidad de los agregados y mantiene floculados

5

los coloides, pero las precipitaciones diluye la solución ysobreviene la dispersión.

El uso de aguas con partículas en suspensión (aguasturbias), amén de los problemas que ocasiona en loscomponentes mecánicos del sistema, sella paulatinamente losporos y por ende disminuye la infiltración. Este proceso estáen función de la cantidad de y tipo de sedimentos aportadospor el agua.3. Ecuaciones de predicción

La infiltración se produce básicamente en un medioporoso no saturado y ha sido conceptualizada medianteecuaciones diferenciales parciales no lineales de tipoparabólico y unidireccionales (movimiento vertical),combinando las ecuaciones de Richards y Laplace para mediosno saturados. Su resolución es compleja, requiere deprogramas computacionales de alta resolución, existentes sóloen esta década, por lo que desde hace muchos se intentóreemplazarlas por ecuaciones semiempíricas y totalmenteempíricas (sin demasiados fundamentos conceptuales) pero queaportaron soluciones a problemas prácticos vinculados con eldiseño y operación del riego. Las principales se detallan acontinuación:

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 hipótesissimplificatorias, a saber:

a) El suelo es homogéneob) La ley de Darcy es aplicablec) No hay variaciones de temperatura

6

d) El fenómeno de histérisis es despreciablee) La viscosidad es la fuerza dominanteLa ecuación resultante permite estimar la infiltraciónacumulada (Icum):

(2)t = tiempo (minutos)c = coeficiente que depende de las fuerzas capilares y

es una propiedad del medio poroso. Es importante encondiciones no saturadas.

A = coeficiente que depende de las fuerzas capilares ygravitacionales. También se la conoce con el nombre desortividad y en cierta forma semeja la conductividadhidráulica del medio permeable en los primeros instantes conel contenido inicial de humedad.

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

(3)

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

3.3 Ecuación de KostiakovConsiderando las limitaciones de las ecuaciones

anteriores, es ampliamente utilizada una ecuación empíricadesarrollada 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 esarazón se multiplica por 60.

Dado que Icum decrece con el tiempo, 0 < B < 1 y por lotanto el exponente b es negativo. Esta ecuación no tienefundamento físico ni es homogénea en unidades, pero se ajusta

7

muy bien al fenómeno de infiltración y tiene mucha utilidaden riego, aspecto destacado por Philip en investigacionesposteriores. Analizando la ecuación 5, cuando el tiempotiende a infinito, como b es negativo, I tiende a cero, locual físicamente no es cierto y está en desacuerdo con la leyde Darcy, que para tiempos elevados el suelo se comportaríacomo un medio saturado e I debería tener valores próximos aKo. Para corregir este problema, se propuso la ecuación deKostiakov-Lewis:

(8) (9)

donde Vo es la velocidad constante cuando t tiende ainfinito. Esta ecuación tien otro parámetro más de ajuste,por lo que no es común su uso. Además, para tiemposprolongados deja de tener validez (tiempo superiores a 24-36hs) dado que el suelo se va saturando e I se aproxima alvalor de conductividad hidráulica (Ko). Por esta razón, elautor sugiere emplearla sólo cuando I > Ko, situación queocurre en el inicio de la infiltración.

El parámetro A de la ecuación está relacionado con elvalor de la infiltración inicial (Io), es decir cuando t = 1minuto. Por lo tanto influyen en su valor las condiciones dehumedad inicial y de compactación de la superficie del suelo.B es un parámetro relacionado más directamente con la texturadel suelo y las modificaciones que se producen por suhumedecimiento, de modo que suelos de baja capacidad deinfiltración tienen bajos valores de B. Este parámetro sirveentonces 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 verámás adelante. A continuación se analizarán los métodos deajuste más habituales.

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

decimal:(10)

8

De este modo se lineariza la ecuación transformándolaen una recta

y = 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 (verfig 1), ploteando en abscisas el tiempo acumulado y enordenadas la infiltración acumulada, para luego trazar a manola recta que mejor se ajuste a los datos y encontrar losparámetros. B, que representa la pendiente de la recta, seobtiene directamente a partir de dos puntos cualesquiera,sólo que deben corresponder al mismo módulo de la gráfica. Aes la ordenada al origen, que comienza con t = 1, por lo quese debe calcular el antilogaritmo de dicho valor.

Con el uso de planillas de cálculo se facilita latarea, 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 enpantalla los valores de A y B.

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

3.4.2 Método analítico

9

En este caso se analizan los datos experimentalesmediante el método de mínimos cuadrados. Para su uso debenprimeramente linearizarse los datos y recién después usar esemétodo. Las ecuaciones a utilizar son:

(12)

(13)

donde N es el número de observaciones realizadas.4. Determinación de la capacidad de infiltración

Para determinar los parámetros de la ecuación deKostiakov se realizan experiencias a campo en el sitio dondeluego se va a utilizar la ecuación. Para ello se utilizandiferentes técnicas, en función de la utilidad de laecuación. Por ejemplo, para riego por inundación el método dedoble anillo es ideal. Para riego por surcos, es másconveniente medir la infiltración directamente en un surcopreparado especialmente. Para riego por aspersión esconveniente utilizar simuladores de lluvia. En todos los casose obtienen pares de valores (t; Icum) que luego seránajustados por alguno de los procedimientos antes visto. Dadoque se obtienen valores puntuales, es conveniente repetir losensayos para evaluar la variabilidad zonal. El número derepeticiones dependerá de la heterogeneidad del suelo,cultivo y condiciones de manejo. Es importante destacar quepara cada repetición primero deben ajustarse los valores de Ay de B, para recién después promediarse.

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

Este método es muy utilizado en todo el mundo por supracticidad. Consiste en dos anillos metálicos concéntrico

10

(ver fig 2), que pueden fabricarse localmente. Los anillos de30 cm como mínimo el interior y 50 cm el exterior, puedenfabricarse de modo tal que se acoplen uno con otro, paraocupar menos espacio. Se recomienda reforzarles el bordesuperior para poder soportar los golpes necesarios paraclavarlo. El borde inferior debe estar biselado para penetrarmejor en el suelo.

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

El anillo exterior sirve para establecer lascondiciones de borde, de modo que leflujo logrado escompletamente unidimensional. En el anillo interior es dondeva la regla

Figura 2: esquema de utilización del método de doble

anillo

graduada para realizar las lecturas. Primero se vuelca aguaen el exterior (5 cm, previamente marcados con tiza) y luegoen el interior. La regla debe tener el cero a 7,5 cm delsuelo y hasta ese valor se llena. Para efectuar las lecturasse recomienda un gancho invertido sujeto a la pared parapoder visualizar bien su superficie. El nivel dentro delanillo interior no debe bajar de 5 cm, para lo cual debeagregarse agua cada vez que ese límite es superado. Una vez

11

hecha la instalación y agregada el agua, se comienza laexperiencia, poniendo en cero el cronómetro. En cada lecturamedida se toma el tiempo. Las primeras cinco es convenientemedirlas cada minuto, luego dos o tres cada cinco minutos,dos cada 10 min, dos cada 15 min, dos cada 20 min, y luegocada hora hasta que la lectura se haga constante, pero noconviene superar las 24 hs.

Cuando se repone agua debe anotarse en la planilla. Latabla 1 resume los datos de campo obtenidos y suprocesamiento. Además deben extraerse muestras de suelo pararealizar gravimetría en el área adyacente al ensayo en dosprofundidades (Ap y A12) y dentro del cilindro interior. Eneste caso debería extraerse una vez terminado el ensayo ( ados profundidades), a las 24 hs y a las 48 hs, cubriendo elsuelo con una lámina de polietileno.

Tabla 1: registro de datos prueba de infiltraciónFecha: Hora inicio: (1)Horalectura

(2)Tiempoacumulado(min)

(3) Altura deagua (cm)

(4)Diferenciaalturas(cm)

(5)Diferencia detiempos(min)

Icum(cm)

I (cm/h)(4/5) x60lectura Lectura

ajustada

0 inicial123451015continua

4.2 infiltración en surcosCuando se necesita diseñar un método de riego por

surcos, la infiltración ya no es unidireccional sino que serealiza a través del perímetro mojado del surco y una granparte del agua infiltra radialmente. En este caso esconveniente estimar la infiltración en el propio surco. Paraello se desarrolla la experiencia cuando se realiza la prueba

12

de avance (Práctico 9) destinando uno o dos de los surcospara la prueba de infiltración. Hay diversos modos para medirinfiltración en surco. El más común es entre dos puntosextremos distanciados suficientemente para evaluar lavariabilidad dentro del surco. Se controlan cada ciertotiempo los caudales de entrada y de salida entre cada punto,cuidando de entregar caudales relativamente pequeños paragarantizar una diferencia de lecturas entre el inicio y finaldel surco. El intervalo de tiempo de cada medición esvariable, pero en general es más prolongado que en el ensayode doble anillo. La medida de los caudales puede ser hechacon aforadores tipo Parshall o volumétricamente. Eltratamiento de la información es distinto, dado que el caudaldebe transformarse a unidades de velocidad. Para ello sedivide por la longitud del surco para representar en unidadesde m3 min-1 m-1. Luego se ajusta la ecuación de I para hallar ay b y por despeje A y B.

4.3 Estimación regionalOtro modo de obtener la infiltración es analizar un

evento regional de lluvias, es decir que Icum se obtiene pordiferencia entre la precipitación caída (Pt) y elescurrimiento superficial (Es) por ella provocado.

Icum = Pt – Es (14)Para ello se utilizan procedimientos para obtener Es,

pudiéndose mencionar el método racional y el de curva númerocomo los principales, aspecto que se verá en detalle en elpráctico de transformación lluvia-caudal. Este método permiteinferir la infiltración total promedio para una región, paraun dado período de recurrencia, pero no puede emplearse paradiseño u operación de métodos de riego.

5. Infiltración básicaFue analizado anteriormente por qué la infiltración

decrece con el tiempo hasta hacerse constante. Por otraparte, experimentalmente se termina la prueba de infiltracióncuando varias lecturas se hacen constantes. En este punto sesupone que se alcanzó la velocidad de infiltración básica

13

(Ib). Para determinarla se utilizan las ecuaciones 5 ó 9 y deacuerdo con el Servicio de Conservación de Suelos (USDA) Ibse alcanza cuando la tasa de cambio de I es 10 % o menos desu valor (-0,1). Bajo este supuesto, la ecuación resultantees:

(15)La unidad de Ib es la misma que la de I (cm min-1 ó cm h-

1).Muchos autores han encontrado experimentalmente que el

tiempo que corresponde a una tasa de cambio del 10% es muycorto y por lo tanto los valores de Ib son altos. Localmentese advirtió igual situación, donde comparando el valor de Ib,obtenido de 15, con la gráfica correspondiente es muchomayor.

Fernández et al. (1971) tomaron como tasa de cambio elvalor del 1 % (-0,01) en función de experiencias realizadasen el área de Bahía Blanca. Los autores encontraron que, parauna tasa del 10%, el ángulo que forma la tangente con laasíntota horizontal es de 174º 17’, mientras que para unatasa del 1%, ese ángulo es de 179º 25, muy próximo a los 180ºque corresponde a la asíntota. A partir de la ecuación deKostiakov, Fernández et al. (1971) desarrollaron la siguienteecuación de Ib:

(16)

donde D representa la tasa de cambio del 1 %. Paracalcularla debe seguirse el procedimiento siguiente

(17)

Se determina el término derecho de la igualdad y luegose despeja Ib. Los resultados que arroja esta ecuación sonmás consistentes que cuando se utiliza la ecuación 15.DESARROLLO DEL PRÁCTICO

Al igual que otros, este práctico será desarrollado comoparte de las actividades del nodo de integraciónAgroecosistemas I que se cursa simultáneamente. Incluirátareas de campaña dentro del área de estudio del nodo,

14

principalmente ensayos de infiltración con el método de dobleanillo y en gabinete se realizarán los cálculoscorrespondientes. En clase se brindará una explicación delensayo de doble anillos previo a la tarea de campo. Éstasserán coordinadas con los responsables del nodo I pararealizarlas simultáneamente con otras actividades. Losalumnos serán divididos en grupos y se realizará una pruebaen cada ambiente del área de estudio. Se entregará una listadetallada con los elementos que debe llevar cada grupo,quedando a cargo de la cátedra la provisión de los dobleanillos y otros elementos necesarios.

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

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

15

APLICACIONES

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

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

3. Representar gráficamente los valores de Icum vs t e I vsobtenidos a campo.

4. Ajustar los parámetros A y B de Icum de acuerdo a losprocedimientos gráfico y analítico. Para el métodográfico se sugiere utilizar planilla de cálculo. Porderivación obtener a y b de I.

5. Estimar Ib con las ecuaciones 15 y 16 y compararlascon la gráfica correspondiente. Justificar el valoradoptado

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Custodio, E. y Llamas M. R. 1983 Hidrología SubterráneaTomo 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 dela infiltración y su aplicación para diseño se riego en elValle Inferior del Río Colorado. Revista InvestigacionesAgropecuarias INTA Serie Clima y Suelo. Volumen VIII (1):4-29

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

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

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

16

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

17