Filtrometro

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Filtrometro

  1. 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Norte de la Universidad Peruana FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL - CELENDÍN Shuitute s/n – Chacapampa – Celendín – Teléfono 076 – 555307 – E-mail: eapiac-unc@hotmail.com“AÑO DE LA INTEGRACIÓN NACIONAL Y EL RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD” TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: TASA DE INFILTRACIÓN EN SUELOS DEL CASERÌO DE AGUA DULCE - CELENDÍNCURSO: Análisis y tratamiento de la contaminación de suelosDOCENTE: Ing. M. Sc: Darwin Diaz MoriALUMNOS: RABANAL ALVA, Jhuliana TORRES FELICES, SilvanaCICLO: VII Celendín, Julio del 2012.
  2. 2. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración I. INTRODUCCIÓN El presente informe dará a conocer uso de una herramienta que es el infiltrómetro de doble anillo o doble cilindro para la determinación de la conductividad hidráulica (velocidad de Infiltración) de un suelo no saturado. A la misma vez realizar el tratamiento de los datos obtenidos que pueden servir en un futuro para diversos trabajos y proyectos dentro del campo de la Ingeniería Ambiental; como lo es el tiempo de operación para la descontaminación de suelos al existir un derrame de hidrocarburos. II. OBJETIVOS - Identificar la ubicación más idónea para el uso del infiltrómetro. - Determinar la velocidad de infiltración. - Utilizar los datos obtenidos para realizar la curva de la tasa de infiltración.III. ANTECEDENTES El método del Infiltrómetro de doble cilindro o anillo consiste calcular la saturación de una porción de suelo limitada por dos cilindros concéntricos para a continuación medir la variación del nivel del agua en el cilindro interior y exterior. Es posible que al inicio de la experimentación el suelo esté seco o parcialmente húmedo y por lo tanto en condiciones de no saturación, los valores inicialmente muy elevados irán descendiendo con gran rapidez como consecuencia de la presión ejercida por la columna de agua, mayor cuanto más alta sea ésta columna o el volumen de agua de los cilindros. El tiempo que transcurra hasta alcanzarse las condiciones finales de saturación dependerá de la humedad previa, la textura y la estructura del suelo, el espesor del horizonte por el que discurre el agua, y la altura del agua en el cilindro interior. 2
  3. 3. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Esta información ayuda muchas veces en el campo del Medio Ambiente, por ejemplo: se puede decidir cuál es el tipo de riego óptimo de un suelo determinado, qué caudal deben aportar los goteros, con este tipo de riego evitar la pérdida y muerte de las plántulas de una reforestación por falta o exceso de agua. Figura 1: Evolución de la tasa de infiltración Lógicamente el tiempo de saturación será menor cuanto:  Mayor sea la humedad previa del suelo.  Mayor sea el tamaño individual de las partículas de suelo (textura).  Mayor sea la cantidad y estabilidad de los agregados del suelo (estructura).  Mayor sea el espesor del horizonte del suelo por el que circula el agua.  Mayor sea la altura de la lámina de agua en el cilindro interior El método original desarrollado por Munz parte de la idea de que colocados los dos cilindros y obtenida la situación de saturación, la diferencia de nivel del agua (H) en los cilindros interior y exterior provoca un flujo de agua que será de entrada hacia el cilindro interior si la altura es mayor en el tubo exterior, o de salida si es inferior. 3
  4. 4. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración A B Figura 2: Efecto de la diferencia de niveles de agua entre ambos cilindros. 2A el flujo entra hacia el cilindro interior 2B El flujo abandona del cilindro interior. En cualquier caso, además de la componente del flujo de agua (QH) debida a la diferencia de nivel H entre los dos cilindros, el agua abandona ambos cilindros por la superficie del suelo en el que están instalados como consecuencia de su porosidad. Por tanto, el flujo neto que abandona (o penetra en su caso) el cilindro interior es en realidad el resultado de dos componentes: la componente debida a la diferencia de nivel de agua en los cilindros, el “leakage”; y la componente debida a la capacidad de absorción del suelo, la infiltración. El problema radica precisamente en poder aislar para cada condición de H la componente del flujo “leakage” de la componente de infiltración a partir del valor del flujo neto del tubo interior (valor objeto de la medición). Para ello se adopta la hipótesis de que la componente debida a la absorción es constante durante la realización de la experiencia y no resulta afectada por los cambios del nivel del agua en el cilindro interior. La hipótesis efectivamente es válida si las medidas se realizan en un corto espacio de tiempo y si H se mantiene relativamente pequeño. De otra parte, si H=0 entonces el flujo en el tubo interior se debe únicamente a la absorción del suelo, siendo éste precisamente el propósito de la técnica propuesta en esta sección. 4
  5. 5. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración El cilindro exterior también tiene como función el evitar la infiltración horizontal del agua por debajo del cilindro interior, de tal forma que las medidas se correspondan con seguridad al flujo vertical. Figura 3: Flujo de agua en el suelo generado por el doble cilindroIV. MARCO TEORICO 4.1. Formas de agua en el suelo En el suelo se distinguen clásicamente tres tipos fundamentales de agua:  Agua de retención Es el agua retenida en los poros o alrededor de las partícula de suelo en contra de la acción dela gravedad. Se distinguen dos situaciones: El agua higroscópica, que está fijada fuertemente a las partículas del suelo. El espesor de estacapa de agua que rodea las partículas es muy reducido. La fuerza de unión entre el agua y laspartículas del suelo tiene lugar por medio de enlaces químicos entre los dipolos del agua y lasvalencias libres que existen en la superficie de los minerales. Se trata de un agua inmovilizable desde el punto de vista práctico y que no puede ser desplazada más que en estado de vapor. La cantidad de agua retenida de esta manera varía en función de la granulometría y porosidaddel material; así pues, puede estimarse del orden de 0.2-0.5% en partículas gruesas y del 15- 20% en materiales finos (limos y arcillas). 5
  6. 6. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración El agua pelicular, que envuelve a las partículas del suelo y al agua higroscópica con unapequeña película cuyo espesor no sobrepasa las 0.1 micras. Se puede desplazar en estadolíquido por el juego de atracciones moleculares de las partículas vecinas. La retención de estaagua se debe a fenómenos de tensión superficial. La cantidad de agua pelicular en el suelo depende también de la granulometría, de tal formaque podemos encontrar valores muy dispares, del orden de 30-40% en arcillas y 1-2% enarenas.  Agua capilar El agua capilar es el agua retenida en conductos de pequeño tamaño (micro poros) por fenómenos de capilaridad y tensión superficial. Se pueden diferenciar: Agua capilar aislada o colgada: no está ligada a la zona no saturada. Esta agua se ubica en los microporos más pequeños del suelo. Se puede eliminar por centrifugación. Agua capilar continua: ligada a la zona no saturada. La granulometría influye en la cuantía deeste agua; así, su presencia puede alcanzar varios metros de altura en materiales arcillosos ypocos milímetros en materiales gravosos.  Agua gravífica El agua gravífica se define como la porción de agua que se desplaza libremente por el suelobajo el efecto de la gravedad. Ocupa los espacios libres de los poros, de los intersticios y de lasfisuras de las rocas. Constituye la parte activa de las aguas subterráneas y es la principalresponsable del transporte de solutos, como los nitratos por ejemplo. Los esfuerzos demodelización se centran particularmente en esta fracción de las aguas del suelo. 4.2. Distribución vertical del agua en el suelo Suponiendo un material homogéneo y con una porosidad intersticial dada, se puedendiferenciar una serie de zonas en profundidad en función del tipo de agua presente en cadauna de ellas. En la zona más superficial, los poros están ocupados por aire y agua. Se trata de la zona deaireación o zona no saturada. En esta zona se distinguen las siguientes sub zonas: 6
  7. 7. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Sub zona de evapotranspiración: es la parte del suelo en contacto directo con la atmósfera. Enella se instalan las raíces de las plantas herbáceas y las raíces superficiales de las plantassuperiores. En esta zona es en donde se dan con mayor intensidad los procesos de evapotranspiración. Los tipos de agua existentes en esta sub zona son principalmente agua higroscópica, pelicular ycapilar aislada, pero no existe agua gravífica, a no ser que esté de tránsito hacia zonasinferiores en episodios inmediatos a una precipitación. En esta zona es donde se da la mayor parte de la absorción de agua y nutrientes por parte delos vegetales. Sub zona intermedia: se halla inmediatamente debajo de la zona de evapotranspiración, conmenor proporción de poros y conductos. En ella se encuentran ubicadas las raíces profundasde las plantas superiores. También se dan fenómenos de absorción de agua y nutrientes porlos vegetales, así como procesos de evapotranspiración, pero con menor intensidad, porque lasfuerzas de retención del agua son mayores que las de succión de las raíces situadas sobreella. En consecuencia, el flujo es sensiblemente más lento que en la zona radicular. En esta zona existe agua higroscópica y pelicular (en menor proporción que en la zona anteriory también agua capilar aislada. Franja capilar: abarca desde la zona intermedia hasta la superficie freática. Su amplituddepende de la granulometría del material, ya que puede tener varios metros de espesor enarcillas y pocos milímetros en gravas. En esta zona existen todos los tipos de agua, excepto el agua gravífica, pero fundamentalmente el agua capilar continua, ligada a la zona saturada. Debajo de la zona de aireación se halla la zona saturada, separada de la primera por lasuperficie freática. Si se analiza en un perfil del suelo la distribución vertical del agua en profundidad Figura 4 se pueden distinguir la zona no saturada y la zona saturada separadas una de otra por una superficie ideal denominada superficie piezométrica o freática (definida como el lugar geométrico de los puntos cuya presión hidrostática coincide con la atmosférica y que constituye la superficie libre de un acuífero). 7
  8. 8. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Figura 4: Distribución vertical del agua en el suelo. En la zona no saturada y en las partes más próximas a la superficie, el contenido dehumedad del suelo fluctúa debido a las variaciones de la evaporación y la transpiración delas plantas, constituyendo la zona de evapotranspiración. Inmediatamente por debajo de laanterior se encuentra la zona vadosa, en la cual el agua se desplaza por los poros sin llegara saturarlos. Por último, se distingue la franja capilar, donde el agua satura los poros y que,dependiendo de la granulometría, puede ascender por capilaridad. En relación con la zonasaturada, todos sus poros están ocupados o saturados con agua, su límite inferiorcorresponde a una roca cuya porosidad no permite la circulación del agua en profundidad. 4.3. Parámetros de utilidad y caracterización del medio físico En diferentes estudiosde zonas no saturadas requiere un control continuo de ciertosparámetros variables y la determinación precisa de características intrínsecas del medio. Paratener la posibilidad de alcanzar los objetivos previstos y, en cualquier caso, para optimizar elrendimiento del trabajo, es necesario planificar cuidadosamente la investigación de manera quecualquier omisión no invalide otros datos o les reste eficacia. 8
  9. 9. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Según las normas de muestreo (ASTM, 1990, 1992, 1993, 1995). Se hace la mención de algunos de los parámetros más habitualmente utilizados y que constituyen los elementos básicos en estudios de zona no saturada:  Textura El estudio del flujo del agua y, especialmente, de los procesos físico-químicos que ocurren enla ZNS no puede llevarse a cabo sin conocer la distribución granulométrica del suelo. Engeneral, las fracciones gruesas se determinan por tamizado y la diferenciación entre limos yarcillas se consigue fácilmente por densimetría (aerómetro de Boyoucos). Suele ser suficientedeterminar la textura en muestras seleccionadas del perfil del suelo cuyo número depende dela homogeneidad litológica vertical y horizontal.  Mineralogía La cuantificación aproximada de cada tipo de arcilla (illita, caolinita, esmectitas..) presente en elsuelo es de gran interés en el estudio de ciertos procesos de adsorción (cambio iónico) quedependen, entre otros factores, de la capacidad de cambio, y de procesos de degradación deplaguicidas y otros compuestos orgánicos.  Densidad La densidad aparente (db) se refiere a la masa de suelo seco por volumen de suelo. Ladensidad mineral (dm) es la masa de suelo seco por volumen de sólidos del suelo.  Humedad El grado de humedad (q) se mide por el contenido volumétrico (cm3/cm3) de agua en el suelo(qv), o por el contenido gravimétrico (gr/gr) de masa de agua por masa de suelo seco (qg). Losvalores de q están comprendidos entre 0, para un suelo totalmente seco, y un máximo desaturación (G), cuando todos los poros están ocupados por agua. Grado de saturación es la relación entre el volumen de agua y el volumen de agua asaturación. Después de que un suelo saturado ha drenado por gravedad alcanza la llamadacapacidad de campo. El contenido de humedad correspondiente a este estado es la capacidad de retención. 9
  10. 10. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Densidad mineral rs = Ms / Vs Densidad aparente rb = Ms / Vt Porosidad n = Vf /Vt Humedad gravimétrica w = Mw / Ms Humedad volumétrica q = Vw / Vf 4.4. Tasa De Infiltración La tasa de infiltración es la velocidad con la que el agua penetra en el suelo a través de su superficie. Normalmente la expresamos en mm/h y su valor máximo coincide con la conductividad hidráulica del suelo saturado. Ten en cuenta que las tasas de infiltración obtenidas con el método del doble cilindro o doble cilindro en condiciones de no saturación no son muy fiables y tampoco son indicativas del comportamiento del suelo en condiciones de campo, no es habitual, ni aún siquiera cuando se riega a manta, que sobre la superficie del terreno haya una lámina de agua de varios cm de altura y sólo es así en condiciones excepcionales como las inundaciones o las grandes avenidas de agua. 4.5. Infiltración La infiltración es el movimiento del agua de la superficie hacia el interior del suelo. Lainfiltración es un proceso de gran importancia económica. Del agua infiltrada se proveen casitodas las plantas terrestres y muchos animales; alimenta al agua subterránea y a la vez a lamayoría de las corrientes en el período de estiaje; reduce las inundaciones y la erosión del suelo. 10
  11. 11. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Figura 5: Infiltración del agua a una cuenca subterránea En el proceso de infiltración se pueden distinguir tres fases:  Intercambio Se presenta en la parte superior del suelo, donde el agua puede retornar ala atmósfera por medio de la evaporación debido al movimiento capilar o por medio dela transpiración de las plantas.  Transmisión. Ocurre cuando la acción de la gravedad supera a la de la capilaridad yobliga al agua a deslizarse verticalmente hasta encontrar una capa impermeable.  Circulación. Se presenta cuando el agua se acumula en el subsuelo debido a la presencia de una capa impermeable y empieza a circular por la acción de la gravedad,obedeciendo las leyes del escurrimiento subterráneo. 4.5.1. .Capacidad de infiltración Es la cantidad máxima de agua que un suelo puede absorber por unidad de superficie horizontaly por unidad de tiempo. Se mide por la altura de agua que se infiltra, expresada en mm/hora.La capacidad de infiltración disminuye hasta alcanzar un valor casi constante a medida que la precipitación se prolonga, y es entonces cuando empieza el escurrimiento. A la lluvia que es superior a la capacidad de infiltración se le denomina lluvia neta(es la que escurre). 11
  12. 12. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración A la lluvia que cae en el tiempo en que hay lluvia neta se le llamalluvia eficaz, por lotanto, la lluvia neta equivale a la lluvia eficaz. 4.5.2. Descripción del proceso de infiltración La infiltración se define como el proceso por el cual el agua penetra por la superficie de suelo y llega hasta sus capas inferiores. Figura N°6. Perfil de humedad en el proceso de infiltración. Muchos factores del suelo afectan el control de la infiltración, así como también gobiernan el movimiento del agua dentro del mismo y su distribución durante y después de la infiltración. Si se aplica agua a determinada superficie de suelo, a una velocidad que se incrementa en forma uniforme, tarde o temprano se llega a un punto en que la velocidad de aporte comienza a exceder la capacidad del suelo para absorber agua y, el exceso se acumula sobre la superficie, o escurre si las condiciones de pendiente lo permiten. La capacidad de infiltración conocida también como “infiltrabilidad del suelo” es el flujo que el perfil del suelo puede absorber a través de su superficie, cuando es mantenido en contacto con el agua a la presión atmosférica. Mientras la velocidad de aporte de agua a la superficie del suelo sea menor que la infiltrabilidad, el agua se infiltra tan rápidamente como es aportada y la velocidad de aporte determina la velocidad de infiltración (o sea, el proceso es controlado por el flujo). Sin embargo, una vez que la velocidad de aporte excede la infiltrabilidad del suelo es ésta última la que determina la velocidad real de infiltración; de ese modo el proceso es controlado por las características del perfil 12
  13. 13. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración En este contexto, la infiltración acumulada, es la integración en el tiempo de la velocidad de infiltración, con una dependencia curvilínea del tiempo y una pendiente que decrece gradualmente. La infiltrabilidad del suelo y su variación en el tiempo dependen del contenido de agua inicial y de la succión, así como de la textura, estructura y uniformidad(o secuencia de los estratos) del perfil del suelo. Kiastiakov, en 1962, fue el primero que propuso el uso de una ecuación empírica, para la velocidad de infiltración expresada normalmente en unidades de longitud por unidad de tiempo. Ι = K x Tn -1 < n < 0 (1) Donde: I = Velocidad de infiltración instantánea T = Tiempo en minutos. K = Constante que representa la velocidad de infiltración para t = 1. n = Pendiente de la curva de velocidad de infiltración con respecto al tiempo. La infiltración acumulada, se obtiene integrando (1): dT (2) Donde, D es la infiltración acumulada o lámina de agua acumulada (L). Por otra parte, la relación matemática que existe entre la velocidad de infiltración y el tiempo esta representada por una función exponencial inversa. Así también, cada cambio en las características del suelo provocará instantáneamente un comportamiento singular del proceso de infiltración, que obviamente se verá reflejado en una gráfica de estas variables. De eta manera, es posible visualizar una familia de curvas de infiltración para cada tipo de suelo. 13
  14. 14. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Figura N° 7. Curvas de infiltración, según textura del suelo 4.5.3. Factores que intervienen en la capacidad de infiltración Tipo de suelo: Entre mayor sea la porosidad, el tamaño de las partículas y el estado de fisuramiento del suelo, mayor será la capacidad de infiltración. Grado de humedad del suelo: La infiltración varía en proporción inversa a la humedad delsuelo, es decir, un suelo húmedo presenta menor capacidad de infiltración que un suelo seco Presencia de substancias coloidales: Casi todos los suelos contienen coloides. La hidrataciónde los coloides aumenta su tamaño y reduce el espacio para la infiltración del agua. Acción de la precipitación sobre el suelo: El agua de lluvia al chocar con el suelo facilita lacompactación de su superficie disminuyendo la capacidad de infiltración; por otra parte, el aguatransporta materiales finos que tienden a disminuir la porosidad de la superficie del suelo,humedece la superficie, saturando los horizontes más próximos a la misma, lo que aumenta laresistencia a la penetración del agua y actúa sobre las partículas de substancias coloidales que,como se dijo, reducen la dimensión de los espacios intergranulares. 14
  15. 15. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración La intensidad de esta acciónvaría con la granulometría de los suelos, y la presencia de vegetación la atenúa o elimina. Cubierta vegetal: Con una cubierta vegetal natural aumenta la capacidad de infiltración y encaso de terreno cultivado, depende del tratamiento que se le dé al suelo.La cubierta vegetal densa favorece la infiltración y dificulta el escurrimiento superficial delagua. Una vez que la lluvia cesa, la humedad del suelo es retirada a través de las raíces,aumentando la capacidad de infiltración para próximas precipitaciones. Acción del hombre y de los animales: El suelo virgen tiene una estructura favorable para lainfiltración, alto contenido de materia orgánica y mayor tamaño de los poros. Si el uso de la tierra tiene buen manejo y se aproxima a las condiciones citadas, se favorecerá el proceso de lainfiltración, en caso contrario, cuando la tierra está sometida a un uso intensivo por animales osujeto al paso constante de vehículos, la superficie se compacta y se vuelve impermeable. Temperatura: 1. Las temperaturas bajas dificultan la infiltración. 2. Las variaciones de la capacidad de infiltración pueden ser clasificadas en dos categorías: A. Variaciones en áreas geográficas debidas a las condiciones físicas del suelo B. Variaciones a través del tiempo en una superficie limitada:  Variaciones anuales debidas a la acción de los animales, deforestación, etcétera.  Variaciones anuales debidas a diferencias de grado de humedad del suelo, estado dedesarrollo de la vegetación, temperatura, etcétera.  Variaciones a lo largo de la misma precipitación. 15
  16. 16. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración 4.5.4. Medición De La Infiltración Para medir la velocidad de infiltración, existen varios métodos, entre ellos:  Método de los cilindros infiltrómetros Este método se utiliza para determinar la velocidad de infiltración ensuelos en los que se establecerán métodos de riego, tales comoacequias en contorno, bordes, tazas, aspersión y goteo. Según Gurovich, los materiales necesarios para la ejecución adecuadade éste, son:  Cilindro metálico de acero, y un diámetro no inferior a 30 cm y de 0,5 cm de grosor.  Martillo (pesado para labores de penetración en el suelo)  Estanque de agua de 10 a 15 litros.  Agua de igual calidad.  Regla milimétrica.  Protector de erosión (plástico, madera en el fondo del cilindro)  Cronómetro o reloj. El aparato que se usa para este método es muy sencillo, es el infiltrómetro. El más común consiste en un cilindrode 15 cm de largo y fijo, aproximadamente de 20 cm; se pone en él una determinada cantidad deagua y se observa el tiempo que tarda en infiltrarse. A este aparato se le atribuyen algunosdefectos: el agua se infiltra por el círculo que constituye el fondo, pero como alrededor de él nose está infiltrando agua, las zonas del suelo a los lados del aparato participan también en lainfiltración, por lo tanto, da medidas superiores a la realidad.El error apuntado se corrige colocando otro tubo de mayor diámetro(40 cm) alrededor del primero, constituye una especie de corona protectora. En éste también se pone agua aproximadamente al mismo nivel, aunque no se necesita tanta precisión como en el del interior;con ello se evita que el agua que interesa medir se pueda expandir. 16
  17. 17. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Figura 8: La medición es menor que la que se hubiera obtenido antes y más concordante con la capacidad real del suelo El registro de las mediciones, se realiza en base a una tabla con distintas alturas de agua en el cilindro, a intervalos periódicos, de modo de registrar intervalos a los 5, 10, 20, 30, 45, 60, 90....; de igual forma su representación gráfica puede apreciarse en la Tabla N°1 y gráfico Nº 1. Tabla N° 1. Determinación de la velocidad de infiltración de los suelos Tiempo Altura Altura Diferencial Infiltración (min) (cm) (cm) (cm) (mm/hr) (1) (2) (3) (4) (5) 0 18 0 5 16 2,0 240 10 15,2 0,8 96 20 13,4 1,8 108 30 12,5 0,9 54 45 10,8 18* 1,7 68 60 16,1 1,9 76 90 12,5 3,6 72 Promedio de infiltración 65 mm/h 17
  18. 18. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Gráfico N°1. Tasa de infiltración Para la determinación de la velocidad de infiltración (5) se empleo elcoeficiente I, a saber: I= Donde: I : Velocidad de infiltración en mm/hr Dh : Diferencial de altura de agua ( cm) T : Diferencial de tiempo (m) Así, de la tabla N° 1, se desprende que: = I (Columna 5) En relación con los datos encontrados en cada uno de los ensayos, seopto por el criterio de utilizar el promedio de los tres valores de menorvelocidad de infiltración, con el fin de asumir un criterio conservador enel diseño que asegura un no colapso de las obras. Luego, el valor deinfiltración promedio es 65 mm/hr. 18
  19. 19. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración  Surcos infiltrómetros Hay otro método que no utiliza aparato alguno, sino simplemente consiste en hacer un agujerode dimensiones conocidas en el suelo. Se llena de agua hasta cierta altura y se mide la variaciónde esa altura a través del tiempo. Como la infiltración se produce tanto por el fondo como por las paredes, el caudal infiltrado será igual a la superficie del cilindro por el coeficiente deinfiltración.Este procedimiento es mucho menos exacto que el anterior, pues partiendo de un suelo seco, alinicio la infiltración horizontal es igual a la vertical, sinembargo, para un período determinado,la infiltración vertical domina sobre la horizontal; pero, por no requerir aparato alguno, se puedeimprovisar en cualquier caso. También se puede determinar la capacidad de infiltración considerando una cuenca que esté perfectamente controlada, de la que se tengan datos muy precisos de precipitación, evaporacióny escurrimiento. Así, conociendo estos términos, se puede determinar la infiltración. Estemétodo es el ideal, aunque es el más difícil de operar, por ello sólo es aplicable en cuencas deensayo, para confrontar con datos medidos por otros procedimientos. 4.6. Relación Humedad-Tensión: Curvas Características Para caracterizar los parámetros hidráulicos básicos que rigen el flujo de agua en la zona no saturada, de utilizan las denominadas curva de retención o curva de succión-humedad, y la curva de conductividad-succión. Si se representa la evolución del contenido volumétrico o grado de saturación en función de la succión se obtiene la denominada curva de retención o curva de succión-humedad, que es característica de cada suelo y cuya forma depende de la estructura del suelo y de la geometría y distribución de los tamaños de los poros. Así pues, un suelo arcilloso tiene menor densidad aparente y de ahí que tenga un mayor contenido de agua a saturación. Además, los suelos arcillosos poseen muy pocos poros grandes y una amplia distribución de amaño de partículas; por eso se da una disminución gradual del contenido de agua con el descenso del potencial. 19
  20. 20. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Por el contrario, en suelos arenosos la mayor parte del agua se encuentra asociada a los poros de mayores dimensiones, que drenan a succiones modestas; por ello, en la región capilar se da un decrecimiento rápido del contenido de agua en el suelo. Finalmente, los suelos arcillosos tienen un área superficial mucho mayor que las arenas, y pueden tener una mayor cantidad de agua adsorbida a la superficie de las partículas. En este tipo de curvas se pueden diferenciar, a grandes rasgos, tres regiones: 1) región de entrada de aire, que corresponde a la franja en que el suelo se encuentra saturado donde el potencial varía pero el contenido de agua no. 2) región capilar, en la que pequeños incrementos de la succión provocan el drenaje de los poros más pequeños del suelo, y el contenido de agua en el suelo disminuye rápidamente. 3) región de adsorción, en la que únicamente queda el agua adsorbida a las partículas del suelo, debido a que el agua que estaba albergada en los poros ha sido drenada; en esta última región, importantes cambios de potencial se asocian con pequeños cambios de contenido de agua. Realmente, este tipo de curvas difiere para un mismo suelo en función de que esté en proceso de secado o de humectación. Este fenómeno, denominado histéresis, se debe a que los ángulos de contacto del agua con la fase sólida son distintos en mojado y en secado. Estos efectos se acentúan con la presencia de aire atrapado y especialmente en suelos susceptibles de hinchamiento. Los fenómenos de histéresis tienen un efecto importante en el flujo del agua y en el transporte de solutos, aunque en la práctica se tiende a no tenerlos en consideración. Se han propuesto muchas funciones empíricas para representar y modelizar las curvas de retención, y entre ellas cabe resaltar la de Brooks y Corey (1964), que no es utilizable para condiciones próximas a saturación y para suelos con textura media a fina. 20
  21. 21. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Curva de retención y fenómenos de histéresis 4.7. Ley de Darcy La ley de Darcy, la velocidad de infiltración del agua en un medio no saturado medido con el infiltrómetro de anillo puede indicarse mediantela siguiente expresión: V = velocidad de infiltración [LT-1] K1 = conductividad capilar o permeabilidad insaturada [LT-1] V = fuerza de succión en el frente húmedo [L] Z = distancia al frente húmedo [L] H = altura de la columna de agua [L] La influencia de V y h en relación a z decrece cuando z y la humedad delsuelo se incrementa, llegando un momento en que la velocidad de infiltración permanece constante. En este momento V constante W K. 21
  22. 22. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración V. MATERIALES Y MÉTODOS En general los materiales usados en la determinación de la infiltración con este método son:  Cilindro infiltrómetro de doble cilindro metálico  Comba  Regla metálica graduada en cm, mm y pulgadas  Cronómetro  Pala y/o palana  Balde  Trozo de plástico  Hoja de registro5.1. Descripción del dispositivo. Los cilindros utilizados pueden ser de hierro o de acero. Sin embargo, si tenemosen consideración la elevada pedregosidad de los suelos mediterráneos, en la mayoríade las ocasiones no será aconsejable utilizar los cilindros de acero. Aunque si lo piensasun poco seguro que encuentras algunas condiciones (tipo de suelo, técnica demanejo, cubierta vegetal) en la que puedes dejar los cilindros de hierro en casa. Los cilindros de hierro (que pesan bastante más y son muy incómodos de llevarhasta lugares muy alejados del coche) son más difíciles de encontrar. Lo más normales encargarlos a algún herrero de confianza, mientras que los equipamientosconvencionales proporcionados por la mayoría de las casas comerciales son de aceroy constan de tres juegos de cilindros de diferentes diámetros. En el modelo de mayor aceptación el equipo consta de tres juegos de 2 cilindroscada uno de ellos. Los diámetros de los cilindros pequeños son 28, 30 y 32 cm. y losdiámetros correspondientes a los cilindros externos son 53, 55 y 57 cm. Con este material se pueden realizar simultáneamente hasta tres experienciasen localizaciones próximas de características edáficas similares; de esta formaconseguirás eliminar en mayor medida la influencia de la variabilidad espacial de lossuelos que si únicamente realizas una prueba. Debes buscar emplazamientos distantes menos de 10 metros y, a ser posible,cerca de una calicata descrita y así disponer de información detallada acerca delsuelo. Para la interpretación de los resultados es conveniente hacer un muestreo de lahumedad a diferentes 22
  23. 23. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración profundidades antes y después del ensayo. Como otros accesorios dispones de tres juegos de flotadores graduados paramedir la fluctuación del nivel del agua, un martillo y una cruceta o tapa de conducción de esfuerzos. El martillo de goma y la tapa, o cruceta en su caso, se emplean para clavar los dos cilindros simultáneamente hasta la misma profundidad. La tapa está provista de un cabezal que absorbe la fuerza del impacto del martillo altiempo que distribuye está homogéneamente por el borde de los dos cilindros.VI. PROCEDIMIENTO Deberán tomarse en consideración los siguientes aspectos:  Elección de la ubicación para implantar el instrumento.  Colocación, llenado de agua y toma de medidas  Medida y cálculo los volúmenes de agua filtrada, tiempo, etc. 6.1. Elección de la ubicación para implantar el instrumento La bondad de los datos y la fiabilidad de los resultados obtenidos dependen en granmedida de la idoneidad del lugar elegido para su realización y de la conveniencia dela metodología usada. Los aspectos más relevantes a consideran en relación a laubicación del infiltrómetro son los siguientes:  Se debe encontrar una localización representativa del suelo a estudiar. Esta claro que trasladar el equipo y el agua para llenar los cilindros resulta ser algo pesado, pero no seas cómodo y ¡no quedarse en el lugarmás fácil!  Evitar ubicar los cilindros en zonas compactadas. Los terrenoscompactados por vehículos o personas presentan una tasa de infiltraciónmenor que las zonas adyacentes (sobre todo en los suelos de textura fina).Tener cuidado y evitar compactar el suelo con nuestras propias pisadas, mientras buscamos el lugar idóneo como durante la colocación del instrumento.  En los suelos ricos en arcillas expansibles no instalar el infiltrómetro sobre las grietas de expansión-contracción. Cuando la textura del terreno es fina el tamaño de los poros es muy pequeño y la absorción del agua se ve más afectada por la estructura del suelo que en el caso de los suelos arenosos. 23
  24. 24. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración  La tasa de infiltración es particular para cada horizonte del suelo, asumiéndose homogénea en todo el espesor del mismo. En suelos con varios horizontes de características diferentes, el paso del frente húmedo de un horizonte a otro quedará reflejado en la tasa de infiltración, medida con el infiltrómetro.  Por último cabe señalar que la tasa de infiltración puede sufrir variacionesestacionales como consecuencia de cambios en la composición del agua oen su temperatura, en el crecimiento de la vegetación, etc. 6.2. Colocación, llenado de agua y toma de medidas Es muy importante que realices estas tres operaciones sin alterar el suelo. No debescambiar su porosidad natural. Puesto que los factores determinantes de la capacidadde absorción de los suelos son múltiples y fáciles de modificar es conveniente actuarsiguiendo una serie de normas básicas:  Colocar los cilindros sobre la ubicación elegida comprobando que noqueden ni piedras ni raíces bajo el filo de ninguno de los ellos; puedandeformar los aros con facilidad. Figura 9: Instalación del infíltrómetro en el campo.  Clavar los cilindros en el suelo a igual profundidad en todo su perímetro,y hacerlo además al mismo tiempo. Los cilindros ladeados o que no han sidointroducidos de forma homogénea presentan mayor riesgo de sufrir fugasde agua.Tanto el cilindro exterior como el interior deben llegar de 3 a 5 cm deprofundidad (así se evita bastante el drenaje lateral), esta acción lo realizamos con la ayuda de la “cruz” y la comba. 24
  25. 25. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración  Clavados los cilindros comenzaremos a llenar cuidadosamente de aguaambos cilindros, empezando siempre por el exterior. Resulta muy conveniente“tapizar” la parte exterior del suelo del cilindroexterior con algún otro tipo de material para evitar el drenaje lateral, en nuestro caso utilizamos arcilla.  Comprobar que no existan fugas de agua provocadas por la presenciade piedras o raicillas. Si se cumplió escrupulosamente el primer punto ya nombradopara evitar alguna fuga y tapamos el contorno del instrumento con el mismo barro dealrededor arcilla.  Mantenemos el mismo nivel del agua en el interior de ambos cilindros. Como norma general el llenado como indica el uso de un infiltrómetro que encontramos en internet al iniciar echar agua no debe sobrepasar los 10cm, y tampoco debes dejar que el nivel descienda a menos de 5 cm. Si el nivel en el anillo exterior es mayor que en cilindro centralel agua tenderá a penetrar desde el suelo produciéndose errores de lectura. Figura 10 : Manera que pasa el agua produciendo error.  Realizamos las mediciones que necesitamos: la medida de los diámetros de cada uno de los cilindros para q nos ayude a calcular la medida del volumen de agua que va a pasar al suelo, la medida de la altura para agregar el agua a nivel en los dos cilindros. Estos datos los anotamos en nuestro registro o libreta de campo.  Debido a la elevada variabilidad de los suelos y a los posibles erroresasociados al método será necesario realizar más de una medida, en este caso utilizamos el instrumento hasta tener la absoluta certeza de que el agua está circulando por un mismo 25
  26. 26. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración horizonte, por ello se realiza en tres puntos con tres repeticiones, cada una en el cual se repite todo el procedimiento ya mencionado, realiza este trabajo dentro de los 5 m de diámetro; encualquier caso, para estar seguros de que todos resultados de las pruebasson correctos deberán contrastarse con otras propiedades del suelodeterminantes del movimiento del agua en el suelo como la textura, laestructura, el contenido en materia orgánica, etc.VII. RESULTADOS 7.1. Cálculo de las áreas del infiltrómetro. Datos: Diámetro interior = 14.10 cm. Diámetro total = 29 cm. Radio interior = 7.05 cm. Radio total = 14.5 cm π = 3.141592 Área del círculo menor: Área del círculo mayor: Área de la corona:VIII. TRATAMIENTO DE LOS DATOS Y GRÀFICOS 26
  27. 27. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Para calcular la tasa de infiltración del suelo en condiciones de no saturación a partir de las medidas obtenidas durante la experiencia elaboraremos una tabla de resultados. Incluyendo tantas series o repeticiones como nº de veces hayas tenido que rellenar los cilindros.Serie Acumulacion E 1 Inicio Final Intervalo Promedio Altura Volumen Tasa de Flujo A B C D 1 0 5 5 2.5 25.0 13533.00 2706.6000 2 5 9 4 7 23.6 12775.15 3193.7880 3 9 13 4 11 21.3 11530.12 2882.5290 4 13 26 13 19.5 18.6 10068.55 774.5040 5 26 51 25 38.5 16.5 8931.78 357.2712 6 51 73 22 62 11.1 6008.65 273.1205 7 73 95 22 84 8.0 4330.56 196.8436 8 95 124 29 109.5 6.0 3247.92 111.9972 27
  28. 28. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltraciónSerie 2 Acumulación E Inicio Final Intervalo Promedio Altura Volumen Tasa de Flujo A B C D 8 0 4 4 2 25.0 13533.00 3383.2500 3 4 12 8 8 24.0 12991.68 1623.9600 7 12 26 14 19 23.6 12775.15 912.5109 6 26 42 16 34 18.7 10122.68 632.6678 5 42 58 16 50 15.4 8336.33 521.0205 4 58 75 17 66.5 10.6 5737.99 337.5289 2 75 90 15 82.5 9.0 4871.88 324.7920 1 90 113 23 101.5 5.0 2706.60 117.6783 Tasa de infiltración Serie 2A 4000.0000 3500.0000 3000.0000 Infiltración 2500.0000 2000.0000 1500.0000 Tasa de Flujo 1000.0000 500.0000 0.0000 0 20 40 60 80 100 120 Tiempo(min) 28
  29. 29. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltraciónSerie Acumulacion E 3 Inicio Final Intervalo Promedio Altura Volumen Tasa de Flujo A B C D 1 0 5 5 2.5 25.0 13533.00 2706.6000 2 5 15 10 10 23.8 12883.42 1288.3416 3 15 23 8 19 22.0 11909.04 1488.6300 4 23 56 33 39.5 21.5 11638.38 352.6782 5 56 79 23 67.5 13.8 7470.22 324.7920 6 79 94 15 86.5 11.6 6279.31 418.6208 7 94 102 8 98 4.5 2435.94 304.4925IX. CONCLUSIONES 29
  30. 30. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración  Para el trabajo experimental ubicamos el infiltrómetro en una zona más o menos plana en la cual no tuvo las siguientes características: había intervención de la mano del hombre, no existía pastoreo para ganado, no era camino, ni otros usos; ya que este tipo de territorios podría afectar rotundamente el proceso de infiltración del agua por ser zonas transitables y compactadas por la misma acción.  La velocidad de infiltració en el suelo del caserio de Agua dulce es de 178.026 cm/min o 29.671 mm/h. X. ANEXOS 30
  31. 31. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Foto1: Camino al Caserío de Agua dulce. 31
  32. 32. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Foto 2 y 3: Camino a la escuela de Agua Dulce 32
  33. 33. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltraciónFoto 4 y 5: Arriba Escuela del Caserío de la Zona, abajo paisaje del lugar de la experimentación. 33
  34. 34. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Foto 6 y 7: Arriba Descenso del agua después de 1h y media aprox, medición del nivel del agua del cilindro exterior 34
  35. 35. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltraciónFoto 8 y 9: Arriba medición del nivel del agua del cilindro interior, abajo: la diferencia del niel del agua (cilindro exterior con menor cantidad de agua) 35
  36. 36. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltración Foto 10 y 11: Arriba toma de muestras en el suelo mojado, abajo: suelo saturado después del paso de agua. 36
  37. 37. Análisis y tratamiento de la contaminación de suelos Tasa de infiltraciónXI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS OFICINA DEL REGANTE. 2002. Caracterización de la infiltración. Gobierno de Aragón. Departamento de Agricultura, España. http://web.eead.csic.es/oficinaregante/riego/a2/rsup4.html VÉLEZ, M., VÉLEZ., J. 2002. Capítulo 8: Infiltración. Universidad Nacional de Colombia, Unidad de Hidráulica. http://poseidon.unalmed.edu.co/materias/hidrologia.html Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos de Costa Rica, San José - Costa Rica, Centroamérica http://www.cfia.or.cr/descargas/inflitracion.pdf SIAR Sistema Interactivo de Apoyo al Riego, Colombia, http://www.siar.cl/docs/protocolos/Infiltracion_suelo.pdf Proyecto Facultad de Ingeniería Forestal, Universidad de Talca, Universidad Nacional de Colombia, Unidad de Hidráulica. http://eias.utalca.cl/Docs/pdf/Publicaciones/manuales/c_modulo_curva_i nfiltracion.pdf Facultad de Ciencias - UdelaR - Montevideo - Uruguay Gabriel Corchs. http://edafologia.fcien.edu.uy/archivos/Agua%20en%20el%20suelo.pdf 37

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