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Infiltración

Generalidades

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida están constituidas por la intercepción en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones, la retención en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra), la evaporación y la infiltración.

La infiltración juega un papel de primer orden en la relación lluvia - escurrimiento y por lo tanto en los problemas de diseño y predicción asociados a la dimensión y operación de las obras hidráulicas. En general, el volumen de infiltración es varias veces mayor que el de escurrimiento durante una tormenta dada, especialmente en cuencas con un grado de urbanización relativamente bajo.

Infiltración

La infiltración se define como el proceso por el cual el agua penetra por la superficie del suelo y llega hasta sus capas inferiores. También se puede definir como la cantidad de agua en movimiento que atraviesa verticalmente la superficie del suelo producto de la acción de las fuerzas gravitacionales y capilares.

La infiltración desempeña un papel fundamental en los procesos d í i i ió d dde escorrentía como respuesta a una precipitación dada en una cuenca: dependiendo de su magnitud lluvias de iguales intensidades, pueden producir caudales diferentes. Su papel es fundamental también en el estudio de la recarga de acuíferos.

La velocidad de infiltración es la relación entre la lámina de agua infiltrada y el tiempo en que se infiltra dicha lámina. Las unidades en que normalmente se expresan son: cm/hora, cm/minuto, mm/hora o mm/minuto.

Descripción del proceso de Infiltración

Consideremos un área de suelo suficientemente pequeña, demodo que sus características (tipo de suelo, coberturavegetal, etc), así como la intensidad de la lluvia en el espaciopuedan considerarse uniformes. Además supongamos que alinicio de la lluvia, el suelo está lo suficientemente seco paraque la cantidad de agua que puede absorber en la unidad detiempo (es decir su capacidad de infiltración) sea mayor quela intensidad de la lluvia en esos primeros instantes depiniciada la lluvia. Bajo esas condiciones, se infiltraría todo loque llueve, es decir:

Si i < fp, entonces f = i Dondef : Infiltración en lámina por unidad de tiempo (mm/h)fp : Capacidad de infiltración en lámina por unidad de tiempo(mm/h)i : Intensidad de la lluvia (mm/h)

Al avanzar el tiempo y si la lluvia es suficientementeintensa el contenido de humedad del suelo aumentaráhasta que la superficie alcance la saturación, en esemomento se empiezan a llenar las depresiones delterreno, es decir se originan charcos y comienza aproducirse flujo sobre la superficie. A este instante se ledenomina tiempo de encharcamiento y se le denota comotp (ponding time).

Después del tiempo de encharcamiento y si la lluvia sigueDespués del tiempo de encharcamiento y si la lluvia siguesiendo intensa, el contenido de humedad del sueloaumentará y la capacidad de infiltración disminuirá con eltiempo. Bajo éstas condiciones la infiltración se haceindependiente de la variación en el tiempo de laintensidad de la lluvia, en tanto que ésta sea mayor que lacapacidad de transmisión del suelo, de manera que:

Si i > fp, t > tp, entonces f = fp

Donde fp decrece con el tiempo.

Bajo las condiciones anteriores, la capa saturada que en el tiempo de encharcamiento era muy delgada y estaba situada en la superficie del suelo se ensancha a medida que su límite inferior, denominado frente húmedo se va profundizando. Entonces, dado que cada vez una mayor parte del suelo está saturada, las fuerzas capilares pierden importancia paulatinamente hasta que llega un momento (teóricamente t = ∞), en que todo el medio saturado, el movimiento del agua se produce sólo por la acción de la gravedad y la g gcapacidad de infiltración se hace constante. Si después del tiempo de encharcamiento la lluvia entra en un periodo de calma, es decir, su intensidad disminuye hasta hacerse menor que la capacidad de infiltración, el tirante de agua existente sobre la superficie del suelo disminuye hasta desaparecer y el agua contenida en los charcos también se infiltra y en menor grado se evapora. Posteriormente la lluvia puede volver a intensificarse y alcanzar otro tiempo de encharcamiento repitiéndose nuevamente el ciclo descrito.

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Perfil de humedad del suelo

El perfil de humedad en el suelo se puede dividir en 04 zonas: - Zona de saturación y transición

- Zona de transmisión - Zona de humedecimiento

- Frente de humedad o frente húmedo La zona de saturación es una región somera donde el suelo está totalmente saturado, por debajo de ella, se ubica la zona detotalmente saturado, por debajo de ella, se ubica la zona de transición. El espesor de ambas zonas no cambia con el tiempo. Bajo estas áreas se ubica la zona de transmisión de un espesor que se incrementa con la duración de la infiltración y cuyo contenido de humedad es ligeramente mayor que la capacidad de campo. Por último, se tiene la zona de humedecimiento en la cual se unen la zona de transmisión y el frente húmedo, ésta región termina abruptamente con una frontera entre el avance del agua y el contenido de humedad del suelo.

Factores que afectan la velocidad de infiltración

Para una discusión más amplia de los factores involucrados, éstos se agrupan de acuerdo a las características inherentes del suelo y relacionadas con las prácticas de manejo del agua y el suelo, es decir en:

- Características físicas del suelo,- Características del perfil del suelo,p ,- Características de humedad del suelo,- Método de riego y manejo del agua,- Calidad de agua, y- Otros factores.

La textura, estructuraSon medidos a través de parámetros como la porosidad, lagranulometría, la permeabilidad, forma de los granos y lahumedad del suelo.

Importante!!!!

a: Características del suelo

El hecho de que un material sea poroso no significanecesariamente que pueda darse una infiltración alta, paraque esta se dé es necesario que los poros esténintercomunicados entre si, es decir que el material sea"permeable".

Curvas de infiltración según textura del suelo

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La granulometría tiene relación con la influenciade la forma de los granos y su distribución en elsuelo y se mide por una curva acumulativa la queconsiste en llevar los datos de tamaño de grano aun diagrama semi-logarítmico.

En cuanto a la forma de los granos, se puedeseñalar que los suelos con granos redondeadosfavorecen más la infiltración que suelos congranos angulosos Por esta razón para lagranos angulosos. Por esta razón para laconstrucción de filtros es norma utilizar materialde río, en vez del material de cantera, muchomás angulosos y por tanto menos permeable.

Por su parte, la compactación, establece quecuando un suelo se compacta disminuye laporosidad total y por ende la infiltración (ej:campos cultivados y campos de pastoreo)

Pendiente del terrenoA mayor pendiente el agua escurre másrápidamente y no hay infiltración o esta es muyreducida, al contrario de lo que sucede en terrenoscon pendientes suaves, donde los valores deinfiltración son mucho mayores. Por esta razón losymapas de pendientes pueden usarse como unindicativo de las tasas de recarga, cuando se estaestudiando el potencial de las capas acuíferas

En suelos no estratificados, uniformes como los que se encuentran en muchas regiones áridas, la velocidad de entrada del agua depende de las condiciones físicas inherentes, siendo aproximadamente constante con la profundidad del suelo. Pero con frecuencia, especialmente en climas húmedos, el perfil del suelo muestra estratificación, y la capacidad de infiltración puede variar considerablemente para horizontes de suelos individualmente diferenciados.

En caso de que un horizonte edáfico cerca de la superficie ó

b: Perfil del suelo

q ppresente la menor capacidad de infiltración, el proceso total está entonces gobernado por la infiltración a través de esta capa. Sin embargo, si el estrato limitante está ubicado más profundamente en el perfil del suelo, la velocidad de entrada puede ser inicialmente alta, dependiendo de la capacidad de infiltración de los estratos superiores. Cuando el frente de la humedad alcanza un estrato menos permeable, la infiltración adicional de agua será determinada por la infiltración de las capas menos permeables.

Sobre una capa limitada puede presentarse una cantidad de agua atrapada que no puede escapar lateralmente en el movimiento unidimensional descendente. Esto podrá ocurrir no sólo en los estratos que tienen muy bajo valor de permeabilidad, sino también como una consecuencia de la permeabilidad relativa, cuando ésta es mucho más alta en el estrato superior que en el inferior.

Las características del perfil del suelo juegan un papel importante en la determinación del ancho y del espaciamiento

úp y p

de los surcos, según experiencias de campo, si se ubica estrato poco permeable a determinada profundidad en el perfil, la velocidad inicial de infiltración dependerá del área mojada, pero una vez que comienza a desarrollarse la capa freática sobre el estrato limitante, el espaciamiento entre surcos deja de tener importancia.

c: Características de humedad del suelo

En cuanto al contenido inicial de humedad del suelo: a un mayor porcentaje de humedad, la infiltración es menor. Por esta razón láminas precipitadas no muy altas, pueden producir crecientes significativas en épocas invernales, cuando el suelo se encuentra saturado de humedad.

áUn parámetro que mide la humedad es la capacidad de campo, que es el grado de humedad de una muestra que ha perdido su agua gravífica o agua que puede circular por efecto de la gravedad.

El punto de marchitez es otra medida del contenidode humedad del suelo, es el contenido de aguaexistente en el suelo que no es potencialmenteaprovechable por la planta. La poca agua que laplanta adquiere se debe a altas tensiones de succiónpor las raíces lo cual incide en bajos rendimientos deproducción de follaje.

En el cálculo de la infiltración eficaz, definida comola lámina de agua que alcanza la zona saturada, lacapacidad de campo juega un papel muy importanteya que solo después de que el suelo alcance unahumedad igual a esta capacidad se produce unarecarga hacia la capa saturada.

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El método de riego afecta el ingreso de agua en el suelo, el espesor que representa el flujo o el agua estancada sobre la superficie del terreno, y la uniformidad de aplicación. En el riego por aspersión, el agua penetra en el suelo inmediatamente al llegar a la superficie del terreno. En riego por gravedad, el agua corre

é

d. Método de riego y manejo del agua

g p g , gsobre el terreno en espesores diversos a través de canales de diferente tamaño y forma, con diferente gradiente hidráulico, y por lo tanto, con diferente área efectiva para la infiltración.

Una diferencia importante entre los patrones de flujo de agua entre melgas y surcos, es la que existe en relación al área mojada. En riego por melgas, prácticamente se cubre toda el área con una delgada lámina de agua, mientras que en riego por surcos se cubre parcialmente. Debido a que el área mojada es menor en riego por surcos, la cantidad total infiltrada es también más pequeña que en riego por melgas.Las condiciones hidráulicas, las cuales dependen del caudal tamaño del surco pendiente forma y caudal, tamaño del surco, pendiente, forma y rugosidad de la superficie, tienen un efecto sobre el perímetro mojado y sobre el área de entrada de agua, por lo cual la velocidad de infiltración depende de las condiciones hidráulicas del surco. Una posible unión de los surcos adyacentes, debido al movimiento lateral del frente húmedo, puede en consecuencia, afectar también la velocidad de infiltración.

Un problema en la infiltración relacionado con la calidad del agua, ocurre cuando la velocidad normal de infiltración del agua de riego o de lluvia se reduce apreciablemente. Como consecuencia, el agua permanece sobre el suelo por un tiempo demasiado largo, o se infiltra muy lentamente y el cultivo no recibe el agua que necesita para producir cosechas aceptables.

d. Calidad del agua

aceptables.

Los factores de calidad del agua que suelen influir en la tasa de infiltración del suelo son, el contenido total de sales (salinidad) y el contenido de sodio en relación a los contenidos del calcio y magnesio. Una alta salinidad, aumenta la velocidad de infiltración, mientras que una baja salinidad, o una proporción alta de sodio sobre el calcio, la disminuye considerablemente.

Los problemas de infiltración ocasionados por la mala calidad del agua ocurren por lo general en los primeros centímetros del suelo y están ligados con la estabilidad estructural del suelo y con el contenido de sodio en relación al calcio. Cuando los cultivos son regados con aguas con alto contenido de sodio, este elemento se acumula en las primeras capas del perfil del suelo, afectando totalmente en estructura.

Consecuentemente, los agregados de esta capa fi i l di tí l h á superficial se dispersan en partículas mucho más

pequeñas que obturan los poros del suelo. Este problema también puede ser provocado por un contenido de calcio extremadamente bajo. En algunos casos, las aguas con bajo contenido de sales originan el mismo problema, pero más bien como resultado de su naturaleza corrosiva y no del contenido de sodio en el agua, o en el suelo. En el caso de aguas de bajo contenido de sales, los minerales solubles, incluyendo el calcio, son disueltos y trasladados a mayores profundidades.

La temperatura influye en la velocidad de infiltración, ya que la temperatura afecta la viscosidad y la tensión superficial. El efecto de la temperatura en la infiltración no ha sido comprobado hasta ahora, pero se estima que es prácticamente reducido o minimizado.

Otro factor importante que debe tenerse en cuenta es el aire atrapado durante la inundación El aire

e. Otros factores

el aire atrapado durante la inundación. El aire permanece en el espacio vacío del suelo y no puede escapar bajo inundación extensiva. En riego por surco, en el cual la superficie del terreno está parcialmente cubierta con agua, el aire atrapado es menos importante, en la mayor parte de los suelos

La característica de la lluvia es otro factor, porque sila precipitación es muy intensa, las gotas de lluviacompactan el terreno, disminuyendo la infiltración.Este efecto es disminuido por la vegetación.

La vegetación también influye en la velocidad deinfiltración, ya que las raíces de los vegetalesproducen grietas en el suelo, favoreciendo lainfiltración además el follaje protege el suelo contrainfiltración, además el follaje protege el suelo contrael impacto de las gotas de lluvia, reduciendo el efectode compactación de éstas y evitando por lo tanto, laerosión. También al disminuir la velocidad deescorrentía, por efecto de los tallos y troncos, lainfiltración se incrementa y alcanza valores máximosen bosques vírgenes; cuando el bosque se talainmediatamente disminuye la infiltración y aumenta laescorrentía superficial directa.

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Capacidad de infiltración

La capacidad de infiltración (infiltrabilidad del suelo)es el flujo que el perfil del suelo puede absorber através de su superficie. Mientras la velocidad deaporte de agua a la superficie del suelo sea menorque la infiltrabilidad, el agua se infiltra tanrápidamente como es aportada y la velocidad deaporte determina la velocidad de infiltración(proceso controlado por el flujo). Sin embargo, una

l l d d d d lvez que la velocidad de aporte excede lainfiltrabilidad del suelo es la que determina lavelocidad real de infiltración; de ese modo elproceso es controlado por las características delperfil.

La capacidad de infiltración es la cantidad de agua (en lámina) que el suelo es capaz de absorber en la unidad de tiempo. Se expresa en mm/h.

Horton (1950) propuso la siguiente relación para determinar la capacidad de infiltración.

donde:

ktcc effff )( 0

f: capacidad de infiltración en un tiempo t en mm/h.fc: capacidad de equilibrio, que se da cuando el suelo está completamente saturado en mm/hr.f0: capacidad inicial en mm/ht: tiempo en horasK: constante que representa la tasa de decrecimiento de esa capacidad.

La ecuación anterior puede ser representada gráficamente(curva de infiltración) como sigue:

En este sentido se supone que al inicio de una tormenta el sueloestá de tal manera seco, que la capacidad de infiltración esmayor que la intensidad de la lluvia, esto implica que toda lalluvia se infiltra. Con el tiempo, si la lluvia es lo suficientementeintensa, el contenido de humedad del suelo aumenta hasta quese llega a la saturación.El área bajo la curva representa la profundidad del aguainfiltrada durante un intervalo de tiempo.

Velocidad de infiltración instantánea

Llamada simplemente velocidad de infiltración, puede ser definida como la velocidad de entrada vertical del agua en el perfil del suelo, cuando la superficie del terreno se cubre con una lámina delgada de agua. La función que describe la velocidad de infiltración en un punto cualquiera, corresponde a un modelo exponencial de la forma:

i = a Tob ………….…….(1)

D d Donde :

i = Velocidad de Infiltración (L.T-1), expresada en mm/hora, cm/hora u otras unidades,

To = Tiempo de oportunidad (tiempo de contacto del agua con el suelo) expresado en minutos u horas,

a = Coeficiente que representa la velocidad de infiltración para To= 1.0 min.,

b = Exponente que varía entre 0 y -1.

Infiltración acumulada (Icum)Llamada también lamina acumulada infiltrada representa la cantidad total de agua que se ha infiltrado en la unidad de superficie de un suelo, en un determinado tiempo. Normalmente se mide en mm.

Integrando la ecuación (1) entre los limites 0 y t, se tiene:

Simplificando y acomodando la ecuación 2 se tiene:

Donde:

Métodos para estimar la infiltración

La llamada secuencia triple: entrada de agua, circulacióny almacenamiento de agua en el suelo, hacen que sepresenten dificultades en la medida de la infiltración deagua en una cuenca determinada.

Pueden utilizarse dos metodologías generales parai l i fil ió l i h i destimar la infiltración en una cuenca: la primera haciendo

mediciones directas en el campo por medio deinfiltrómetros y surcos, y la segunda utilizando índicesobtenidos de los hidrogramas y hietogramas.

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Índices para estimar la infiltración

Estos hallan la infiltración utilizando los hidrogramasy el hietograma de la tormenta correspondiente. Elmas usado es el índice Φ (fi). El índice Φ se definecomo la intensidad media por encima de la cualtodo lo precipitado se transforma en escorrentíasuperficial directa. El principio en que se basa elmétodo es la separación en el hidrograma de laparte que corresponde a la escorrentía superficialdirecta del llamado flujo base.

Para medir la velocidad de infiltración, existen varios métodos,entre ellos:

- Cilindros infiltrómetros- Surcos infiltrómetros

Independiente de la utilidad práctica de cada uno de ellos, losinfiltrómetros han sido más recurrentemente utilizados, ya querequieren de menos equipos y materiales, y son más fáciles deinstalar y operar.

Cilindros infiltrómetros