CATEDRÁTICO: Ing Carlos Alberto Jesús Sedano
INFILTRACIÓN EN SUELOS SEGÚN SUS CARACTERÍSTICAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL FACULTAD DE PERÚ
INGENIERÍA CIVIL
INTEGRANTES:
Barra de la Cruz Cristian
Huaman Quispe Alexander
Machuca Arce Junior Jeam
CÁTEDRA: Hidrología General SEMESTRE: Séptimo
Huancayo-2023
INTRODUCCIÓN
La infiltración forma parte del ciclo hidrológico, en la recarga de acuíferos afecta directamente la disponibilidad de agua para las plantas y otros organismos.
Este proceso consiste en que el agua se filtre mediante los poros del suelo, espacio entre partículas y grietas.
Muchos de los factores relacionados al suelo que controlan la infiltración también gobiernan el movimiento y la distribución del agua en el suelo, durante y después del proceso de infiltración. Por tanto, es muy importante entender la infiltración y los factores que lo afectan para un diseño y operación eficientes en los sistemas de riego (Skaggs, 1983)
OBJETIVOS
GENERALES
Definir el concepto de infiltración, capacidad de infiltración y el mecanismo debido al cual se produce esta importante propiedad hidrodinámica.
Dar a conocer los modelos de infiltración entre los cuales destacan el modelo de Horton, Green y Ampt, Kostiakov.
ESPECÍFICOS
Revisar distintas referencias bibliográficas con la finalidad de contrastar y complementar la información.
Mostrar un ejemplo aplicativo usando el software “Kostiakov” para determinar la lámina del suelo y la velocidad de infiltración.
MARCO TEÓRICO
DEFINICIÓN DE INFILTRACIÓN
La infiltración es una propiedad hidrodinámica, que considera el movimiento vertical del agua en el suelo, estrechamente relacionada con los procesos de capilaridad y de las fuerzas asociadas con la adhesión y la cohesión de las partículas del suelo (Orjuela-Matta, 2010).
CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
Se conoce como capacidad de infiltración del suelo, a la máxima cantidad de agua de lluvia que el mismo puede absorber en la unidad de tiempo y en condiciones previamente definidas (Horton, 1933).
MARCO TEÓRICO
FACTORES QUE CONTROLAN LA INFILTRACIÓN
CARACTERÍSTICAS DE LAS PRECIPITACIONES
CARACTERÍSTICAS DEL SUELO
CARACTERÍSTICAS DE LA CUBIERTA VEGETAL
FAUNA DEL SUELO USOS DEL SUELO COMPORTAMIENTO DEL SUELO
MARCO TEÓRICO
INFILTRACIÓN DEL AGUA EN EL SUELO
Se podría decir que es un ejemplo de flujo no saturado puesto que describe la entrada del agua en un suelo inicialmente seco (o húmedo), pero que contiene aire.
Se define como el flujo de agua (q) que atraviesa verticalmente la superficie del suelo. Se expresa en términos de velocidad .
Generalmente la infiltración fluye en sentido vertical debido a la gravedad, pero también puede haber flujo capilar en sentido lateral (potencial matricial).
Mecanismo de generación de infiltración
Al momento de producirse las lluvias, una parte se detiene entre la cobertura vegetal, conforme se va prolongando este fenómeno se genera una delgada capa de agua en el suelo, la cual se denomina como detención superficial, dependiendo así de la permanencia del agua en la superficie del terreno y de las características hidrodinámicas del mismo.
El agua que el terreno no es capaz de filtrar ni retener, se escurre, formando la conocida Escorrentía Superficial o Directa.
Mecanismo de generación de infiltración
De acuerdo a lo mencionado anteriormente, también se debe hacer referencia a la percolación, la cual está definida como el movimiento del agua al interior del suelo.
La Infiltración está más relacionada con el movimiento del agua en la parte edáfica del suelo donde tiene lugar el desarrollo radicular de las plantas. La Percolación está más relacionada con el movimiento vertical del agua en la zona no saturada.
Zonas y flujos que aparecen en el terreno
Tasa de infiltración e infiltración acumulada
La tasa de infiltración f, que se expresa en pulgadas por hora o centímetros por hora, es la tasa a la cual el agua entra al suelo en la superficie. Si el agua se encharca en la superficie, la infiltración ocurre a la tasa de infiltración potencial. Si la tasa de suministro de agua en la superficie, por ejemplo, por lluvia, es menor que la tasa de infiltración potencial, entonces la tasa de infiltración real también será menor que la tasa potencial.
La mayor parte de las ecuaciones de infiltración describen la tasa potencial. La infiltración acumulada F es la profundidad acumulada de agua infiltrada dentro de un periodo dado y es igual a la integral de la tasa de infiltración en ese periodo:
donde es una variable auxiliar de tiempo en la integración. A la inversa, la tasa de infiltración es la derivada temporal de la infiltración acumulada:
Factores que afectan la infiltración
Según Chávarri (2004), los factores importantes que afectan el proceso de infiltración son los siguientes:
Usos prácticos de la infiltración
Según Henríquez y Cabaleta 1999:
Modelos
Green y Ampt (1911)
Horton (1933,1939)
Kostiakov
(1932)
MODELO DE HORTON
Una de las primeras ecuaciones de infiltración fue desarrollada por Horton (1933, 1939), quien observó que la infiltración empieza en alguna tasa y decrece exponencialmente hasta que alcanza una tasa constante
.
MODELO DE HORTON
Dicho modelo se basa en el esquema del recipiente que contiene dos agujeros, en otras palabras, cuando existe saturación en la superficie del terreno, es decir cuando el suelo se encuentra empapado de agua, se debe a una superioridad por parte de la intensidad de precipitación en cuanto a la capacidad de infiltración del terreno se refiere, teniendo como consecuencia cierta acumulación de agua en el mismo y por ende se producirá Escorrentía Directa.
MODELO DE GREEN Y AMPT
Green y Ampt (1911) propusieron el esquema simplificado para infiltración, la cual se muestra en el siguiente gráfico.
Para utilizar este modelo se cuentan con fórmulas y además es necesario conocer el tipo de suelo.
VARIACIÓN DE HUMEDAD
INFILTRACIÓN ACUMULADA
TASA DE INFILTRACIÓN
MODELO DE GREEN Y AMPT
Una vez identificado el tipo de suelo, se deben reconocer los parámetros de infiltración, de acuerdo a la siguiente tabla:
Para fines prácticos, supongamos que el tipo de suelo es “Arena”, entonces de acuerdo a la tabla 4.3.1, los parámetros son los siguientes:
MODELO DE GREEN Y AMPT
También se debe tener en cuenta la saturación inicial (Se), el cual es un valor que se toma en campo, generalmente en los libros no nos proporcionan este dato, para ello es necesario conocer la humedad inicial y emplear la siguiente fórmula:
Para hallar
Para una humedad inicial , se tiene un
Con estos valores, se puede hallar la saturación inicial
Finalmente, ya se tiene todos los datos para hallar la infiltración acumulada y la tasa de infiltración.
MODELO DE GREEN Y AMPT
INFILTRACIÓN ACUMULADA (método de sustituciones sucesivas)
El valor constante se denomina “Infiltración acumulada”, en este caso toma el valor de 14.17613579.
TASA DE INFILTRACIÓN
MODELO DE KOSTIAKOV
Kostiakov, en 1932 (Ravi & Williams, 1998), propuso las siguientes ecuaciones de carácter empírico para estimar la tasa de infiltración y la infiltración acumulada:
donde K y a son los parámetros del modelo, que cumplen las restricciones K > 0 y 0
< a < 1. Es de notar que la ecuación (2) tiende a 0 cuando t tiende a infinito, por lo que el modelo no suele dar buenos resultados para periodos extendidos. Además, para las restricciones mencionadas, la expresión (2) queda indeterminada para t = 0, esto es, no es posible definir la tasa inicial de infiltración.
o Al tiempo cero, existe una infiltración “infinita”
o El método de Kostiakov es muy utilizado en suelos agrícolas.
MODIFICACIONES AL MODELO DE KOSTIAKOV
En razón de lo mencionado, se propusieron diversas modificaciones al modelo de Kostiakov, en particular el denominado método de Kostiakov modificado (Al-Azawi, 1985), método de Lewis- Kostiakov (Ahuja, Kozak, Andales, & Ma, 2007) o método de Mecenzev (Ravi & Williams, 1998), que incluye como parámetro adicional la tasa base de infiltración
f
b:
En esta formulación, la tasa de infiltración tiende a la tasa base fb cuando t tiende a infinito; de todos modos, sigue siendo indefinido el valor de f (0). Esto último podría ser significativo en la representación de procesos de muy corta duración y baja intensidad, que en general no tienen aplicación práctica en el diseño hidrológico urbano.
Ejemplo aplicativo
USO DE SOFTWARE “KOSTIAKOV” PARA CALCULAR LA VELOCIDAD DE INFILTRACIÓN Y LA LÁMINA DEL SUELO
En el software se introducen los valores, previamente registrados en campo (anillos concéntricos).
Ejemplo
aplicativo
Ejemplo
aplicativo
Gracias a este software se puede determinar la lámina y la velocidad de infiltración.Los resultados mostrados son para un tiempo de 50 minutos.
Estas pruebas se realizan generalmente para proyectos de riego y así tener una idea de cuanto es la velocidad de infiltración y la lámina del del suelo, mediante los anillos concéntricos.
Métodos de medición de la infiltración en el campo
A) Método del infiltrómetro de doble anillo concéntrico (IDAC)
Según Selker et al. (1999), el método del doble anillo es la prueba más común para la estimación de propiedades hidráulicas del suelo.
Para su determinación los dos anillos (exterior e interior) se introducen en el suelo a una profundidad de 10 a 15 cm, hasta lograr que estén perfectamente enterrados y nivelados. En otras palabras, el método consiste en saturar una porción de suelo limitada por dos anillos concéntricos para a continuación medir la variación del nivel del agua en el cilindro interior.
De acuerdo con la norma ASTM D3385-94, el intervalo de velocidad de infiltración para el cual es válida esta prueba es entre 1x10-6 cm/s a 1x10-2 cm/s.
Métodos de medición de la infiltración en el campo
La tasa o velocidad 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. Los valores de infiltración obtenidas con el método del doble anillo 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 manto, 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.
Métodos de medición de la infiltración en el campo
B) Método del permeámetro de Guelph
Este permeámetro consiste en un Mariotte construido con dos tubos intrínsecos que actúan como depósito manteniendo la carga hidráulica constante en un hoyo practicado en el suelo. Determinando el valor de conductividad hidráulica saturada en campo por medio de un procedimiento numérico, a partir de mediciones de velocidad de flujo infiltrándose en estado estacionario.
Los modelos analíticos que representan el flujo a través de un pozo o agujero de infiltración en régimen permanente desde un pozo de radio a y altura de agua constante “H”, en un medio poroso, rígido, semi-infinito, homogéneo e isotrópico, se deducen a partir de la ley de Darcy, ya sea en un suelo totalmente saturado o no, considerando que pueden intervenir distintos tipos de flujo.
Métodos de medición de la infiltración en el campo
B) Método del permeámetro de Guelph
Según Prieto, et al. (2006) el permeámetro de Guelph presenta menor variabilidad en comparación a los infiltrómetros de doble anillo e indican que con menor número de pruebas se llega a resultados representativos de un área de terreno. Además, las pruebas se realizan en menor tiempo y con menor número de operarios, por lo que se puede concluir que este método resulta más práctico, y menos costoso que el método de infiltrómetro de anillo.
Métodos de medición de la infiltración en el campo
C) Método de Porchet
Consiste en un agujero cilíndrico, excavado en tierra, de radio y profundidad constante, en el cual se mide el descenso del nivel del agua dentro del pozo a través del tiempo (Kessler y Oosterbaan, 1977). Una vez alcanzada la saturación del terreno adyacente al pozo, la velocidad de infiltración será casi constante.
La superficie a través de la cual se infiltra el agua es:
Donde
R es el radio de la calicata
H es la altura de agua en el interior de la calicata La solución de la ecuación diferencial es:
Dependiendo de las unidades utilizadas, la tasa de infiltración queda expresada en .
CONCLUSIONE S
Finalmente podemos concluir que la infiltración en suelos es una propiedad hidrodinámica, que considera el movimiento vertical del agua en el suelo, estrechamente relacionada con los procesos de capilaridad y de las fuerzas asociadas con la adhesión y la cohesión de las partículas del suelo.
Asimismo, los modelos de infiltración son fundamentales para determinar parámetros como:
Infiltración acumulada
Tasa de infiltración
Velocidad de infiltración
Lámina del suelo
Los cuales son muy importantes en distintos proyectos relacionados al riego, intereses agrícolas, evaluación de la escorrentía causada por la lluvia, evaluación de la lluvia efectiva infiltrada, entre otros.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Chereque, WM (1989) Hidrología: para estudiantes de Ingeniería civil. Lima, Perú: Obra auspiciada por Concytec, repositorio PUCP.
Chow, VT (2000) Hidrología Aplicada, University of Illinois, Estados Unidos, Mc GRAW - HILL INTERAMERICANA, S.A.
Horton, RE (1940). Una aproximación hacia una interpretación física de la capacidad de infiltración. Procesos de la Sociedad de Ciencias del Suelo de América, 5, 399-417.
SKAGGS, R.W. (1983) Soil Water. In: JENSEN, M.E. (Ed.).
1983. Design and operation of farm irrigation systems.
ASAE. Michigan, USA. p.: 103-123.
Fetter, CW (2001,1994). Hidrogeología Aplicada. 3ª edición. Nueva Jersey, Estados Unidos:
Macmillan College Publishing Comp.