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2013 Infiltración del Agua y sus Métodos de Calculo

Brito Francismar I.U.P. Santiago Mariño 16/06/2013


Inflitracion………………………………………………….. Hietograma…………………………………………………. Hidrograma………………………………………………… Índice De Infiltración………………………………… Curva De Capacidad De Infiltración…………… Ecuación De Horton………………………………….. Lista De Referencias…………………………………….

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Hietograma El hietograma de proyecto es utilizado para determinar descargas máximas o caudales de proyecto de forma indirecta, o sea, a partir de lluvias intensas.

Elementos a definir: Tiempo de retorno de la lluvia de proyecto. Duración de la tormenta Distribución temporal Distribución espacial Definición de Pérdidas

Tiempo de Retorno de la lluvia de proyecto: En función del tipo y tamaño de la obra. Duración de la tormenta: En función de las características físicas y climáticas de la cuenca. Distribución temporal: Utilización de Patrones temporales. Utilización de Curvas IDF (bloque Alt.) Utilización eventos críticos registrados Distribución espacial: Transfiere el resultado puntual para el espacial. Característica observada en diferentes partes del mundo; la distribución espacial no posee un modelo típico uniforme.

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Dos Conceptos a diferenciar “Ajuste por área” (curvas AAD) y “Análisis de Variabilidad espacial” (isohietas). Análisis y determinación de pérdidas Del Volumen que precipita solo una parte escurre superficialmente. Desde el punto de vista de escurrimiento se consideran pérdidas todas aquellas parcelas de la lámina total que no contribuyen al escurrimiento superficial. Entre los principales tipos de pérdidas se encuentran: Intercepción vegetal, detención superficial, infiltración y evapotranspiración. Concepto del índice Φ y W Índice Φ: Lamina de lluvia constante a lo largo de toda la precipitación que permite igualar el volumen de escurrimiento superficial y el volumen de lluvia efectiva. Índice W: Concepto similar, más considera separadamente a las pérdidas iniciales (Intercepción Vegetal y Detención superficial). Metodología 1. Disponibilidad de curvas IDF para el lugar. 2. Determinación de alturas de lluvia para diferentes duraciones. 3. Arreglo manual de incrementos de altura de lluvias.

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Hidrograma El hidrograma es un gráfico que muestra la variación en el tiempo de alguna información hidrológica tal como: nivel de agua, caudal, carga de sedimentos, entre otros. para un río, arroyo, rambla o canal, si bien típicamente representa el caudal frente al tiempo; esto es equivalente a decir que es el gráfico de la descarga (L3/T) de un flujo en función del tiempo. Éstos pueden ser hidrogramas de tormenta e hidrogramas anuales, los que a su vez se dividen en perennes y en intermitentes.

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Hidrograma de tormenta debido a la lluvia recibida en la cuenca.

Permite observar:    

las variaciones en la descarga a través de una tormenta, o a través del año hidrológico: el pico de escorrentía (caudal máximo de la avenida); el flujo de base o aporte de las aguas subterráneas al flujo; o, las variaciones estacionales de los caudales si se grafica un período de uno o varios años.

Un mm de precipitaciones significa que en una superficie de un m² ha caído un litro de agua de lluvia (1L/m²). Los hidrogramas son útiles, entre otras cosas, para comparar los tiempos de descarga y caudales pico de varias corrientes o cuencas hidrográficas, para así conocer las diferencias entre sus capacidades de respuesta ante avenidas. Hidrograma Unitario: Curva básica de respuesta a una unidad de precipitación que describe la forma en que una cuenca devuelve un ingreso de lluvia distribuido en el tiempo. Se basa en el principio de que dicha relación entrada-salida es lineal, es decir, que pueden sumarse linealmente. Se construye con base en un "Hidrograma en S" que a su vez se construye desglosando varias tormentas y sus hidrogramas reales producidos. Hidrograma Sintético: Hidrógrama unitario estimado de acuerdo con fórmulas que incluyen parámetros físicos de la cuenca en estudio como área, longitud del cauce principal, pendiente promedio y otros. Son los hidrogramas sintéticos más conocidos: el Triangular del USDA, el de Schneider, el de Clark.

Determinación del hidrograma de descarga de una cuenca En algunos casos es necesario determinar el volumen total del escurrimiento superficial generado por una lluvia en un tiempo determinado. Sin embargo es más frecuente el caso en que se requiere conocer el caudal máximo instantáneo de una determinada avenida. Otras veces se requiere un conocimiento completo del hidrograma, es decir la variación en el tiempo del caudal en una determinada sección en la cual se pretende construir una obra hidráulica o proteger un bien existente. Los métodos que se utilizan para estos cálculos son:   

El racional; Hidrograma unitario; Modelos matemáticos de cuencas hidrográficas.

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La infiltración está gobernada por dos fuerzas: la gravedad y la acción capilar. Los poros muy pequeños empujan el agua por la acción capilar además de contra la fuerza de la gravedad. La tasa de infiltración se ve afectada por características del suelo como la facilidad de entrada, la capacidad de almacenaje y la tasa de transmisión por el suelo. En el control de la tasa y capacidad infiltración desempeñan un papel la textura y estructura del suelo, los tipos de vegetación, el contenido de agua del suelo, la temperatura del suelo y la intensidad de precipitación. Por ejemplo, los suelos arenosos de grano grueso tienen espacios grandes entre cada grano y permiten que el agua se infiltre rápidamente. La vegetación crea más suelos porosos, protegiendo el suelo del estancamiento de la precipitación, que puede cerrar los huecos naturales entre las partículas del suelo, y soltando el suelo a través de la acción de las raíces. A esto se ¿SABIAS QUE? debe que las áreas arboladas tengan las tasas de infiltración más altas de todos los La escorrentía es debida a tipos de vegetación. la incapacidad de los horizontes superficiales del

La capa superior de hojas, que no está suelo para transmitir el descompuesta, protege el suelo de la acción agua de la lluvia con la misma intensidad que cae de la lluvia, y sin ella el suelo puede (escorrentía superficial). hacerse mucho menos permeable. En las áreas con vegetación de chaparral, los aceites hidrofóbicos de las hojas suculentas pueden extenderse sobre la superficie del suelo con el fuego, creando grandes áreas de suelo hidrofóbico.

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Otros eventos que pueden bajar las tasas de infiltración o bloquearla son los restos de plantas secas que son resistentes al remojo, o las heladas. Si el suelo está saturado en un período glacial intenso, puede convertirse en un cemento congelado en el cual no se produce casi ninguna infiltración. Sobre una línea divisoria de aguas probablemente habrá huecos en el cemento helado o el suelo hidrofóbico por donde el agua puede infiltrarse.

La infiltración 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. En el proceso de infiltración se pueden distinguir tres fases.

Una vez que el agua se ha infiltrado en el suelo, permanece allí y se filtra al agua subterránea, o pasa a formar parte del proceso de escorrentía subsuperficial.

Transmisión.

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. b)

Ocurre cuando la acción de la gravedad supera a la de la capilaridad yobliga al agua a deslizarse verticalmente hasta encontrar una capa impermeable.c) Circulación.

Proceso de infiltración

El proceso de infiltración puede continuar sólo si hay espacio disponible para el agua adicional en la superficie del suelo. El volumen disponible para el agua adicional depende de la porosidad del suelo y de la tasa a la cual el agua antes infiltrada puede alejarse de la superficie a través del suelo. La tasa máxima a la que el agua

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.

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puede entrar en un suelo se conoce como capacidad de infiltración. Si la llegada del agua a la superficie del suelo es menor que la capacidad de infiltración, toda el agua se infiltrará. Si la intensidad de precipitación en la superficie del suelo ocurre a una tasa que excede la capacidad de infiltración, el agua comienza a estancarse y se produce la escorrentía sobre la superficie de la tierra, una vez que la cuenca de almacenamiento está llena. Esta escorrentía se conoce como flujo terrestre hortoniano. El sistema hidrológico completo de una línea divisoria de aguas se analiza a veces usando modelos de transporte hidrológicos, modelos matemáticos que consideran la infiltración, la escorrentía y el flujo de canal para predecir las tasas de flujo del río y la calidad del agua de la corriente. Factores que afectan el proceso de infiltración Los factores que afectan la velocidad de infiltración son aquellos que afectan las propiedades físicas del suelo y, en el caso del riego por aspersión, el tipo de cubierta vegetal: 1. Sellamiento superficial La formación de una capa fina y compacta sobre la superficie del suelo reduce rápidamente la penetración de agua a través de la superficie. Esta capa resulta de un rompimiento de la estructura del suelo, producido en parte por la acción erosiva de las lluvias o del riego por aspersión, y también por la acción del flujo del agua sobre la superficie, donde las partículas finas son fijadas alrededor de las partículas mayores formándose una capa impermeable. Las empastadas ayudan a prevenir este efecto; el paso superficial de una rastra liviana u otro implemento cultivador antes

del riego romperá fácilmente ese sellamiento. 2. Compactación del suelo Las labores de preparación de suelos -especialmente las araduras que se realizan en suelos húmedos- pueden producir compactación y formación de capas impermeables denominadas, "pie de arado" exactamente debajo de la profundidad a que penetra el implemento. Este "pie de arado" impide el movimiento de agua y reduce la velocidad de infiltración aumentando a su vez, si las condiciones de pendiente lo permiten, el escurrimiento superficial, lo que en el caso de suelos con texturas mas bien finas, se traduce en una considerable erosión que no solo aumenta los sedimentos en los canales y estructuras de riego, sino que también significa una perdida de tal vez la zona mas importante de un suelo. Se recomienda en estos casos la acción de un subsolador,

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que es capaz de romper estratos impermeables del subsuelo.

3. Partículas o grietas del suelo Los suelos de texturas finas tienden a partirse cuando se secan; al aplicarse agua las partículas del suelo comienzan a aumentar de tamaño, sellando las partiduras hasta disminuir considerablemente la velocidad de infiltración. 4. Preparación de suelo Se indicó que la velocidad de infiltración puede ser aumentada a través de araduras, rastrajes u otros procedimientos; sin embargo el efecto beneficioso en la porosidad del suelo producido por el paso de estos implementos dura solamente hasta que el terreno vuelve a su condición anterior de densidad, como consecuencia de riegos o lluvias subsecuentes. Es necesario considerar también la compactación producida por el excesivo paso de implementos, con la consiguiente disminución de la velocidad de infiltración. 5. Materia orgánica y rotación de cultivos La materia orgánica mantiene la porosidad del suelo durante períodos largos; éstos dependen del estado de descomposición en que aquélla se encuentra. De ese modo la velocidad de infiltración no se altera e incluso puede aumentar mediante la siembra de pastos y legumbres o utilizando prácticas que aumenten el contenido de materia orgánica en el suelo. A su vez, altos contenidos de materia orgánica en el suelo favorecen la población de lombrices y otra fauna del suelo que por medio de la construcción de galerías favorecen enormemente la infiltración y el aireamiento del suelo. esto significa, que en el caso de frutales, una buena practica agrícola seria la incorporación de materia vegetal, ya sea restos de poda, hojas o bien un cultivo en la entrehilera destinado a este propósito. 6. Sales del suelo y del agua

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Las sales que contiene el agua de riego se van acumulando en el perfil del suelo; esto se hace más notorio cuando las precipitaciones no son suficientes para lixiviar las sales más abajo de la zona de las raíces. 7. Sedimentos en el agua de riego Las partículas de limo y arcilla que se mantienen en suspensión afectan la calidad del agua de riego y producen un encostramiento en el suelo, que disminuye en forma notoria la infiltración del agua en el suelo. Esto puede ser beneficioso en suelos arenosos pero es muy perjudicial en los de texturas finas. 8. Perfil del suelo La diferente disposición de las estratas en el perfil tiene también gran influencia en la velocidad de infiltración del suelo. Por ejemplo en un suelo con una estrata superficial de textura gruesa y la siguiente de textura fina, tendrá una diferente velocidad de infiltración en cada una de estas estratas, siendo mas rápida en la estrata superior que en la inferior. Evidentemente este factor no es manejable por el hombre, pero debe ser considerado como un elemento de análisis. También es un factor muy determinante en el proceso de infiltración la textura que presente el suelo, pues esta es gran determinante de la estructura del suelo y por lo tanto del numero y tamaño de poros y canales de conducción en el perfil. Así, bajo iguales condiciones de manejo, un suelo arcilloso tendrá un mayor volumen relativo de poros que un suelo de textura arenosa, pero estos serán de diámetro inferior por lo que su conductividad hidráulica también será menor. Esto se ve reflejado en el siguiente diagrama que muestra la distribución de la humedad en suelos de texturas distintas a través del tiempo:

Investigaciones sobre la infiltración

Robert E. Horton (1933) sugirió que la capacidad de infiltración rápidamente disminuía durante la fase inicial de una tormenta y luego tendía hacia un valor aproximadamente constante después de un par de horas. El agua antes infiltrada llena los almacenes disponibles y reduce las fuerzas capilares que hacen entrar el agua en los poros. Las partículas de arcilla en el suelo pueden hincharse cuando se mojan, y así reducen el tamaño de los poros. En áreas donde la tierra no está protegida por una capa de residuos forestales, las gotas de lluvia pueden separar las partículas del suelo superficial y lavar las partículas finas en los poros superficiales, lo que puede impedir el proceso de infiltración.

Ecuación de Horton

Robert E. Horton La estimación de la Capacidad de Infiltración se puede realizar mediante la expresión de Horton quien estableció que, para cualquier suelo bajo lluvia constante, la Velocidad de Infiltración decrece en el tiempo de acuerdo a la siguiente ley:

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Donde: F:

Capacidad de infiltración en un tiempo t (mm/hr).

fc:

Capacidad de infiltración para un tiempo t muy grande (mm/hr). Es la capacidad de equilibrio, obtenida cuando el suelo está completamente saturado.

fo:

Capacidad de infiltración inicial, t=0. (mm/hr).

Tiempo trasncurrido desde el inicio de la lluvia (min). Constante para un suelo y superficie particulares.(min-1) La constante K es una función de las condiciones de la superficie del suelo (cobertura vegetal, por ejemplo). Un suelo recubierto de vegetación tendrá valores de K pequeños, mientras que los suelos sin vegetación (desnudos) tendrán valores mayores. fc y fo dependen igualmente del tipo de suelo y su cobertura. Tipo de Suelo

fo (mm/hr) Desnudo 280 Agrícola estándar 900 con materia orgánica. Pantanoso 325 Arenoso fino 210 desnudo Arcilloso con 670 materia orgánica.

fc (mm/hr) 6-220 20-290

K (min-1) 1,6 0,8

2-20 2-25

1,8 2

10-30

1,4

El valor de fc es función de la pendiente hasta un valor límite en el orden del 16 a 24%. A partir de allí la variación es despreciable.

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Métodos de cálculo de la infiltración Hay varias formas de estimar el volumen y/o la tasa de infiltración del agua en un suelo. Algunos métodos de valoración excelentes son el método Verde-Ampt, el método de SCS, el método de Horton, y la ley de Darcy.

En el caso de K y fo, se tiene que son prácticamente constantes para un suelo determinado, variando muy poco con la pendiente de la cuenca y/o la intensidad de la lluvia.

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