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Infiltración
 

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ANÁLISIS DEL PROCESO DE INFILTRACION PARA EL REGADIO.

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    Infiltración Infiltración Document Transcript

    • UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS AGRARIAS CÁTEDRA DE HIDROLOGÍA AGRÍCOLA APUNTES DE INFILTRACIÓNIng. Víctor NEGROMarzo de 1998.
    • INFILTRACIÓN :Se denomina infiltración al pasaje del agua al suelo, a través de la superficie delmismo, antes de que se alcancen condiciones de saturación. Inicialmente la infiltración depende de la Succión, que a su vez depende delcontenido de humedad del suelo, mientras que el potencial de gravedad apenasinfluye. Esto explica que al comenzar el proceso de infiltración el valor deinfiltración es alto, decreciendo más tarde cuando aumenta el contenido de humedadhasta alcanzar un valor casi constante. Por ello en suelos secos el agua seinfiltra más rápidamente que en suelos húmedos. Al comienzo el proceso de entrada de agua en el suelo sigue condiciones derégimen variable, ya que el contenido de humedad y por tanto la succión varían. Amedida que el proceso continúa, el gradiente de succión en la parte alta del perfildecrece (sigue siendo máximo en el frente de humectación), hasta llegar a serdespreciable, por lo que la gravedad es la única fuerza que permite el movimientode agua en la parte más superficial del perfil. Cuando el gradiente llega a ser launidad (potencial mátrico =0) la infiltración tiende a ser constante e igualar a laconductividad hidráulica vertical (k), que es el factor limitante del proceso. Portanto, el valor de infiltración depende no solamente del contenido de humedad sinodel valor de k. Una vez que el proceso de infiltración ha comenzado, se inicia laredistribución de la humedad en el perfil del suelo. Según el modelo de Bodman y Colman (1943) pueden distinguirse las siguienteszonas en un perfil de un suelo regado o después de una precipitación intensa.: Zona de saturación. Zona de transición. Zona de transmisión de humedad. Zona de humectación. Frente húmedo. Suelo inicialmente seco. La zona de saturación corresponde a unos pocos cm superficiales. Por debajo hay una zona de transmisión de humedad, cuyo contenido es aproximadamente constante y por encima de capacidad de campo. En la parte inferior de esta zona la humedad decrece fundamentalmente en la llamada zona de humectación. El gradiente de humedad es mayor en el frente húmedo, que limita el suelo seco del suelo húmedo. Después del riego o precipitación, la capa del suelo superficial, humedecida casi a saturación durante la infiltración, pierde agua hacia capas más profundas por efecto de la gravedad y del gradiente de succión. La zona no saturada del suelo almacena humedad hasta un contenido próximo a la llamada capacidad de campo, percolando el excedente. Este proceso se llama drenaje interno del suelo, si existe capa freática próxima a lazona radicular. En este caso el agua de percolación recarga la capa freática que seeleva por acción de esta recarga. El proceso de redistribución que es contínuo decrece constantemente con eltiempo, alcanzándose a largo plazo un equilibrio.Además en la infiltración influyen las condiciones de : • Estructura de la superficie del suelo (laboreo). • Estratificación del suelo. • Aguas o suelos alcalinos o yesosos. • Materia orgánica. • Temperatura del agua o suelo (viscosidad, tensión superficial). 2
    • De todo lo analizado hasta aquí, se deduce la complejidad del proceso deInfiltración ; debido a tantas variables que entran en juego.FÓRMULAS DE LA INFILTRACIÓN :Existen varias fórmulas que pretenden expresan matemáticamente el fenómeno deinfiltración. Entre esta una racional de Philips, que presenta el inconveniente deser solo aplicable en casos especiales, no siendo muy práctica. Se ha generalizado,para salvar este inconveniente, la utilización de ecuaciones empíricas cuyosparámetros se deducen en base a datos experimentales.Una de ellas es la denominada fórmula de KOSTIAKOV (1932, Rusia), la cual expresa : L = b⋅ Tm L= lámina de agua total infiltrada en el tiempo T o infiltración acumulada. (1) T= tiempo que permanece el agua sobre el suelo. b y m = son constantes, las cuales tratan de interpretar dentro ƒ Inf =ƒ(T) de los límites de uso de la ecuación todas las variables que afectan al proceso. La ecuación de Kostiakov ajusta los datosexperimentales bastante bien, particularmente para períodos de tiempo relativamentecortos. Esta ecuación puede ser usada en trabajos de riego debido a su simplicidady por que ajusta razonablemente bien a períodos de tiempo que no excedan unas pocashoras, que es lo que se necesita para riego.El parámetro b nos da una idea del contenido de humedad al iniciarse el proceso, yel parámetro m nos da idea del ritmo de la infiltración, generalmente su valor estáentre 0 y 1. Si la ecuación (1) la derivamos con respecto al tiempo, obtendremos laexpresión correspondiente a la Velocidad de Infiltración (I) ó InfiltraciónInstantánea (Ii). I= m.b.Tm-1 [cm/min ó mm/min] I= 60.m.b.Tm-1 [cm/hora ó mm/hora] , según con que unidad se toma lalectura de Lámina y Tiempo. Para simplificar podemos tomar : B = 60.m.b -n = m-1teniendo : I = B.T-n [cm ó mm/hora].Límite de uso : No se pueden tomar tiempos mayores a 24 horas (en riego nunca ocurre), seinvalida esta ecuación al llegar a condiciones de saturación. Esto se debe a sucarácter netamente empírico.DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS b Y m :La determinación de los parámetros necesariamente se basa en el análisis de losdatos de un ensayo a campo de infiltración.Veremos a continuación que tipo de ensayo se puede realizar a campo : Primero debemos aclarar que para cada sistema de riego (distinto), senecesitará un tipo de ensayo, también distinto. Así para riego por surcos oamelgas, un ensayo en una porción de surcos o melgas tipo. Para aspersiónreproducir lo mejor posible el efecto del golpeteo de las gotas sobre el suelo(simulador de lluvia), este efecto produce como consecuencia una disminución de losvalores de infiltración en comparación con los registrados con equipos que no 3
    • simulen el efecto del golpeteo de las gotas. Por último para riego por inundación,el que mejor representa las condiciones, es el infiltrómetro de dobles anillos. Como se comprenderá estos distintos tipos tratan de representar, de la maneramás cercana posible a la realidad, cada uno de los distintos sistemas de riego. Muchas veces el técnico choca en la práctica con hechos tan concretos como elde no poder contar con una parcela nivelada y con el trazado de surcos o melgastipo ; menos aún con un simulador de lluvia. Por eso que se recurre muchas veces aun infiltrómetro de doble anillos.MÉTODO DEL INFILTRÓMETRO DE DOBLE ANILLO :Se basa en la medición de una lámina de agua que se infiltra en un tiempodeterminado. La medición de dicha lámina se hace en uno de los anillos que poseeuna escala (o midiendo volúmenes incorporados). “Tanto en este método como en el de surcos de ensayo es necesario contar, enel suelo, con un contenido de humedad tal que sea similar al Umbral de Riego que sedeterminó previamente”. Los anillos están estandarizados (para riego) en diámetro y alto. El externoes de 50 cm y el interno de 30 cm. La altura de ambos es de 30 cm. Los dos debenser introducidos en el suelo unos 10 cm aproximadamente. El uso del cilindro exterior tiene la finalidad de actuar como 30 cm Buffer, o sea amortiguar el efecto producido por el agua del cilindro interior en contacto con el suelo seco, 30 cm obteniéndose así una infiltración cuasi vertical. Ambos cilindros se llenan con una altura de agua similar a la calculada para la dosis de riego (lámina de riego). Manteniéndose esa carga prácticamente constante volviendo a rellenar cuando se produzca una 50 cm disminución de aproximadamente 20 mm (minimizar los efectos de la variación de la carga de agua en el valor de infiltración). Infiltrómetro de Doble Anillo En la planilla tipo se anotan las láminas parciales infiltradas (lecturas) ytiempos, como así también los valores de enrase al valor constante de lámina. Lectura Relleno a Lámina Tiempo Ii Lam acum. Tiempo Hora desde cero cero parcial Parcial (cm/hr) (cm) acum. (cm) (cm) (min) (min.) El ensayo se deberá proseguir hasta constatar constancia de la velocidad deinfiltración (esto dependerá del tipo del suelo).ANÁLISIS DE LOS DATOS :Si representáramos los valores obtenidos nos encontraríamos con dos curvasdistintas. 4
    • Ii Ambas responden a una función que se asemeja bastante a una exponencial (deallí surge la ecuación de Kostiakov). Para obtener los parámetros b y m se procede a aplicar función logarítmica(decimal o natural) a la ecuación : L = b⋅ Tmtenemos : log L = log b + m ⋅ log T Con esto hemos transformado la ecuación exponencial en la de una recta, cuyaordenada al origen es log b (ó ln b), es decir cuando logT=0 (T=1) y cuya pendientees m. Ahora bien, nosotros solamente tenemos puntos obtenidos del ensayo, por esodebemos antes ajustar esos puntos a una recta de regresión (Mínimos Cuadrados). En el formulario tipo se encuentran las columnas correspondientes al cálculode mínimos cuadrados (M.C.).Observaciones : Tener en cuenta que la ecuación de Kostiakov es empírica y por lo tanto se deben respetar las unidades de cada variable L y T ya que al variar estas se obtendrán distintos b y m, no siendo homogéneos al compararlos con valores de otros ensayos. Hacer varias repeticiones en lugares estratégicos del ensayo (ya que el método de anillos dobles es netamente puntual) y luego promediar los valores (para cada T promediar los distintos valores de L).MÉTODO DEL SURCO (O MELGAS) DE ENSAYO : Para representar más fielmente la infiltración lateral que se produce en unriego por surcos (o el movimiento de la lámina de agua sobre el suelo en melgas),se justifica este método. Se dispone para el ensayo de 4 surcos (dos centrales para el ensayo y dosdistales para el efecto buffer). 5
    • Se hace circular por los dos surcos centrales el caudal de riego previainstalación de aforadores a la entrada (Qe : caudal de entrada) y a la salida (Qs :caudal de salida). Con los datos de aforo y tiempo medido se confeccionan planillas “ad-hoc”para cada surco de ensayo. La duración del ensayo es hasta que se constate que Qssea aproximadamente constante. En las misma figurará : Tiempo(min), Qe (L/min),Qs(L/min) y Q infiltrado (Qe-Qs) (l/min). Tiempo Qe Qs Qi Tiempo Hora parcial (l/min) (l/min) (l/min) acum. (min) (min) Para iguales valores de tiempo se promedian los valores de Qi surco (1) y Qisurco (2), obteniéndose un Qi promedio. Tiempo Qi surco 1 Qi surco Qi Ii parcial (l/min) 2 promedio (min) (l/min) (l/min) (mm/hr) Ahora debemos transformar el Qi en valor de velocidad de infiltración I. Paraello se deberá tener en cuenta en que área se ha infiltrado ese caudal. Área = Largo del surco de ensayo x separación entre bordos [m2]Luego Vel. De Infiltración será : I (mm/min)= Qi(l/min) A(m2)ó I (mm/hr) = Qi(l/min) x 60 min/hora A(m2) Con los datos obtenidos y aplicando función logarítmica y M.C. ; podemosreconstruir la ecuación matemática que representa la marcha de la Infiltración paraese suelo : I (mm/min) = b.m.Tm-1ó m-1 I (mm/hr) = 60.b.m.T = B . T-n Tanto gráfica como matemáticamente, se obtienen los parámetros b y n en formaindirecta(b.m para T=1 y la pendiente negativa de la recta que es m-1). Habrá queproceder matemáticamente para despejar algún factor en base al otro ya conocido.UTILIDAD PRÁCTICA DE CONOCER LA ECUACIÓN DE INFILTRACIÓN :Podemos resumirla de la siguiente manera : a partir de un ensayo en el cualobtenemos valores puntuales, transformamos estos en una expresión matemáticacontinua. Esto nos permite calcular para cualquier valor de lámina de riego, paraese suelo, el tiempo que le correspondería en infiltrarse. Este tiempo es unparámetro de diseño importante en las distintas técnicas de riego.Partiendo de L= b. Tm Ti= (L/b)1/mSi en cambio partimos de : Ii = B.Tm-1 60 mm/mindeberemos integrar esta ecuación para así obtener la lámina total infiltrada ( m −1)+1 1 B ⋅T L= Idt =(Lámina acumulada). 60 (m − 1) + 1⋅ 60 6
    • 1 m ⋅ 60 ⋅ L mdespejando T Ti = ( min) B Otra utilidad que podemos darle a esta ecuación es la de obtener el valor deVelocidad final de infiltración, también llamada Infiltración básica. Se definecomo Infiltración básica a aquel valor que asume la velocidad de infiltración, queresulta en el tiempo casi constante. Se puede decir que se logra este valor cuandoen el gráfico Ii vs. T, se alcanza la pendiente (valor -n) igual a -0,1, quecorresponde a un ángulo de 174º 17´ aproximadamente. ó sea dIi = -0,1 = Ib dT dIiderivando con respecto al tiempo : = 60 ⋅ m ⋅ ( m − 1) ⋅ b ⋅ T m − 2 = − 0,1 dTSi Tb es el tiempo en el cual se alcanza ese valor de pendiente, 1 − 0,1 Ib = B ⋅ Tbm−1 m− 2despejamos : Tb = e B ⋅ ( m − 1) Este valor de Ib puede servir para calcular caudales de reposición de riegopor inundación. También sirve como valor de diseño en aspersión, haciendo que laprecipitación del aspersor sea como máximo igual al valor de Ib. precipitación en aspersor ≤ Ib suelo luego Tr = Lámina Ib (tiempo de riego en aspersión). Resumiendo podríamos decir que, una vez obtenida la expresión matemática dela infiltración y sabiendo con que valor de lámina se quiere regar, calculamos sucorrespondiente valor de Ti (tiempo de infiltración) tanto sea para surcos, amelgaso aspersión. Después calculamos un valor promedio de velocidad de infiltración comotercer elemento de cálculo. Ip= Lámina Ti 7
    • Ensayo de Infiltración : Ubicación Santa Catalina Lectura Relleno a Lámina Tiempo Ii Lam acum. Tiempo Hora desde cero cero parcial Parcial (cm) acum. (cm) (cm) (min) (cm/hr) (min.) 10.20´ 0 0 0 0 0 10.25´ 2,3 2,3 2,3 5´ 27,6 2,3 5 10.25´ 0 10.30´ 1,1 1,1 5´ 13,2 3,4 10 10.35´ 2,4 2,4 1,3 5´ 15,6 4,7 15 10.35´ 0 10.45´ 1,6 1,6 10´ 9,6 6,3 25 10,48´ 2,2 2,2 0,6 3´ 12 6,9 28 10.55´ 1,2 1,2 7´ 10,3 8,1 35 11.00´ 2,0 2,2 0,8 5 9,6 8,9 40 11.00´ 0 11,10´ 1,4 1,4 10´ 8,4 10,3 50 11.15´ 2,0 2,0 0,6 5´ 9,6 10,9 55 11.15´ 0 11.25´ 1,3 1,3 10´ 7,8 12,2 65´ 11.30´ 2,0 2,0 0,7 5´ 8,4 12,9 70´ 11.30´ 0 11.45´ 2,0 2,0 2,0 15´ 8 14,9 85´ 11.45´ 0 11.55´ 1,4 1,4 10 8,4 16,3 95´ 8
    • Ensayo de Infiltración : Planilla para la elaboración de los datosFecha: Suelo: Profund.:Lote: Cultivo:Propietario: Estado del Suelo:Zona: Humedad del suelo: Hora Lectura Relleno a Lámina Tiempo Ii Lam Tiempo desde cero cero parcial Parcial (cm/hr) acum. acum. (cm) (cm) (min) (cm) (min.) 9
    • ENSAYO DE INFILTRACIÓN:Fecha: Suelo: Profund.:Lote: Cultivo:Propietario: Estado del Suelo:Zona: Humedad del suelo:Planilla para ajustar por Mínimos Cuadrados (M.C.) Hora Tiempo Lectura Enrase Lámina X = log T Y = log Lám X2 = log2 T X.Y = (min) (mm) (mm) (mm) logT.logLám Sumas ΣY ⋅ ΣX 2 − ΣX ⋅ Σ( X ⋅ Y )a= = = n ⋅ ΣX 2 − ΣX ⋅ ΣX n ⋅ Σ( X ⋅ Y ) − Σ( X ⋅ Y )m= = = n ⋅ Σ X 2 − Σ X ⋅ ΣXb = antilog a = Lám (mm)= b.Tm =B = 60 . b . m = Ii (mm/h) = B.Tm-1 = 1 − 0,1 m− 2Tb = = Ib = B ⋅ Tb m−1 = B ⋅ (m − 1) 10
    • 11