Introducción

En el presente trabajo vamos a dar a conocer la definición, características, lo que representa la infiltración en el ciclo hidrológico y los diferentes métodos que nos ayudaran a determinar la capacidad de infiltración y los factores que intervienen en ella.

1. Infiltración

Es el proceso por el cual el agua penetra desde la superficie del terreno en el suelo. Se distingue del proceso de percolación porque este último es el movimiento hacia abajo del agua desde o atreves de la zona no saturada hasta el nivel freático o zona saturada.

El perfil del suelo infiltra agua dependiendo de las siguientes características:

Contenido de humedad del suelo Textura Estructura Estratificación del suelo Contenido de materia orgánica Presencia de raíces y distribución de raíces Compactación

2. Distribución de la precipitación en el suelo

La lluvia que cae se consume totalmente en intercepción, de tensión superficial o almacenamiento en depresiones, humedad del suelo, precipitación directa sobre la corriente de agua que sirve de drenaje al área considerada, agua subterránea, flujo superficial y escorrentía superficial.

2.1. IntercepciónComprende el volumen de lluvia que no alcanza a llegar al suelo porque cae sobre las hojas de los árboles, plantas, rocas y sobre edificaciones donde se evapora posteriormente.

2.2. Detención superficial Es el volumen de agua que se almacena en depresiones o charcos y luego se evapora.

2.3. Precipitación directa sobre las corrientes de agua que sirve de drenaje al área considerada.Constituye un porcentaje pequeño y en muchos casos se despreciable.

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2.4. Humedad del sueloSe refiere al volumen de agua que se infiltra en el suelo antes de alcanzar el nivel freático y es removida del suelo por las raíces de las plantas o por evaporación.

2.4.1. Zona saturada

En la cual el volumen ocupado por los poros o vacíos que existen entre los granos que componen el suelo están llenos de agua.

2.4.2. Zona no saturada

En la cual el volumen ocupada por los poros o vacíos que existen entre los granos que componen el suelo está ocupado por diferentes variaciones de aire y agua.

Humedad higroscópica.- Se adhiere firmemente a la superficie de las partículas del suelo formando una película delgada, no es humedad disponible para las plantas.

Humedad capilar.- Una parte muy pequeña de agua que pertenece a la zona saturada sube por capilaridad a través de los poros del suelo no saturado, maya fuente de suministro de agua para las plantas.

Humedad gravitacional.- Se refiere al agua que se mueve vertical mente desde la superficie del terreno hasta la zona saturada, permanece en el suelo en un tiempo relativamente corto.

2.5. Agua subterránea El agua subterránea es parte de la precipitación que se filtra a través del suelo hasta llegar al material rocoso que está saturado de agua. El agua subterránea se mueve lentamente hacia los niveles bajos, generalmente en ángulos inclinados (debido a la gravedad) y eventualmente llegan a los arroyos, los lagos y los océanos.El nivel freático es la línea que divide la zona saturada de la no saturada. La presión hidrostática en cualquier punto de esta línea es igual a cero. Por encima esta la zona capilar con presiones negativas, por debajo se encuentra la zona saturada con presiones positivas.

2.6. Flujo subsuperficialEs la parte del agua que no alcanza a llegar al nivel freático porque toma una dirección paralela a la superficie del suelo, para salir nuevamente al aire libre y convertirse en escorrentía superficial.

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2.7. Escorrentía superficial

2.7.1. Escorrentía superficial Directa.- Es el volumen de agua lluvia que hace su recorrido sin filtrarse, desde el sitio donde cae hasta la corriente de agua que alimenta.

2.7.2. Escorrentía superficial Total.- Es la suma de escorrentía superficial directa y el flujo subsuperficial.

3. Parámetros característicos de la infiltración

3.1. Capacidad de infiltración o tasa de infiltraciónEl concepto de capacidad de infiltración es aplicado al estudio de la infiltración para diferenciar el potencial que el suelo tiene de absorber agua a través de su superficie.

Es la cantidad máxima de agua que un suelo puede absorber por unidad de superficie horizontal y por unidad de tiempo. Se denota como f, se mide por la altura de agua que se infiltra y se expresa normalmente en mm/hr.Se define como exceso de precipitación a la cantidad resultante de restar la intensidad de lluvia (i) a la capacidad de infiltración (f), en un tiempo determinado Δt.

Exceso de precipitación = (i – f) Δt, en mm.

A la capacidad de infiltración solo se llega durante una lluvia si el exceso de la precipitación es mayor o igual a cero. En casa contrario la capacidad de absorción de agua del suelo no es máxima y por consiguiente no es igual a la capacidad de infiltración.

sii< f → f 0=i

sii ≥ f →f 0=f

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f 0= Capacidad de absorción del terreno, en mm/hr.

3.2. Velocidad de infiltración La velocidad de infiltración nos da la capacidad del suelo de absorber agua. Al principio la velocidad de penetración en el suelo es más rápida pero si seguimos aportando agua, llega un momento en que esta velocidad es más o menos constante. A esta velocidad se la conoce como velocidad de infiltración.

A continuación se dan algunos valores promedios de capacidad de infiltración para distintos tipos de suelos:

VELOCIDAD DE INFILTRACIÓN

MUY ARENOSO 20-25 mm/h

ARENOSO 15-20 mm/h

LIMO AREANOSO 10-15 mm/h

LIMO ARCILLOSO 8-10 mm/h

ARCILLOSO < 8 mm/h

4. Métodos de medición de la capacidad de infiltración

4.1. Infiltrómetros

Es un dispositivo que permite medir la capacidad de infiltración de los suelos. Han sido utilizados tradicionalmente en el campo de la agronomía, a veces para comprender la evolución de las aguas de riego, pero su uso está muy extendido en todas las áreas del conocimiento relacionadas con el flujo del agua en el medio no saturado, siendo de interés la historia, el comportamiento actual y la evolución hidroquímica de las zonas de recarga. Existen diversos tipos de infiltrómetros de los cuales se pueden destacar los siguientes infiltrómetro de cilindro tanto simple como doble, infiltrómetro de tensión o infiltrómetro de mini disco y simulador de lluvia.

4.1.1. Infiltrómetro de disco simple y doble

Cilindro simple: consiste en introducir una determinada cantidad de agua en un cilindro metálico por aspersión y medir el tiempo que la cantidad de agua pierde por infiltración. Ese caudal tiende a disminuir con el tiempo, cuando el medio tiende a la saturación, y se puede relacionar con la ductilidad hidráulica saturada del material.

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Doble Cilindro: consiste básicamente en dos cilindros concéntricos y un dispositivo para medir el agua colocada en el cilindro interno, en este método se coloca agua al mismo tiempo en los dos cilindros por medio de aspersión para una mejor simulación de las condiciones reales solo se mide el agua colocada en el cilindro interno, el cilindro externo sirve para simular la infiltración lateral debida a la capilaridad.

Infiltrómetro de disco doble. Infiltrómetro de disco simple.

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4.1.2. Infiltrómetro de tensión o de minidiscoSirve para determinar la conductividad hidráulica no saturada del suelo. Para que el infiltrómetro funcione correctamente, tanto la cámara superior (cámara de burbujeo) como la inferior (reservorio de agua) deben llenarse con agua. La cámara de burbujeo controla la succión y el reservorio contiene un volumen de agua, el que se infiltrará en el suelo a la velocidad determinada por la succión, previamente establecida en la cámara de burbujeo.

6

1 2 3 4 5 6 7 8

TiempoIntervalo de

tiempo

Volumen de agua

añandido desde el

comienzo

Variación de

volumen

Altura de agua

añadida desde el

comienzo

Variación de altura de

agua

Capacidad de

infiltración

Tiempo promedio en el intervalo

desde el comienzo

(minimo) (minimo) ( ) ( ) (mm) (mm) (mm/hr) (minutos)

.

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4.1.3. Infiltrómetro simulador de lluviaCon el objetivo de evitar en lo posible las fallas en los infiltrómetros de carga constante se usan infiltrómetros que simulan lluvias aplicando agua de manera constante mediante regaderas después se colocan pluviómetros para verificar que la lluvia simulada sea uniforme, la muestra debe tener una pendiente donde al final de la pendiente debe situarse un recipiente que nos dirá cuánta agua no se infiltro y cuanto sedimento se perdió. Si se toman lecturas en diferentes tiempos, es posible construir una gráfica de capacidad de infiltración contra tiempo.

4.2. Medida de la capacidad de infiltración en una hoya por medio de la separación de las componentes del hidrograma.

Si se conoce la precipitación y la escorrentía superficial de se pude calcular por diferencia la capacidad de infiltración de la misma, si bien este valor también englobara también la interceptación y el almacenaje en las depresiones.Sin embargo, el hecho de que la capacidad de infiltración englobe la interceptación y el almacenaje por depresiones no afecta la solución de los problemas de

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ingeniería de un proyecto, pues normalmente la meta será el conocimiento de la escorrentía superficial resultante de una cierta precipitación, conocida la capa de infiltración.Para pequeñas hoyas el error producido por el retardo de la escorrentía debido a intercepción y almacenaje de presiones es menor para grandes hoyas se puede como máximo calcular una capacidad de infiltración media.Se puede organizar el trabajo sobre este tema como se muestra en el cuadro 4.2en la cual la columna 4 se obtiene dividiendo la columna 3 por el área de la hoya y corrigiendo unidades. La columna 7 es la diferencia de los valores de la columna 6 menos la columna 5. Finalmente se grafica el tiempo promedio en el intervalo (columna 8), en minutos contra la capacidad de infiltración (columna 7) en mm/hr, lo cual resulta en una curva mostrada en el numeral inmediatamente anterior.

8

1 2 3 4 5 6 7 8

TiempoPrecipitación acumulada

Escorrentía superficial

Escorrentía superficial

Escorrentía superficial promedio

Intensidad de presipitación

Capacidad de

infiltración

Tiempo promedio en el intervalo

desde el comienzo

(minimo) (minimo) (mm/hr) (mm/hr) (mm/hr) (mm/hr) (minutos)

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5. Factores que intervienen en la capacidad de infiltración

Que es capacidad de infiltración

Se denomina capacidad de infiltración a la cantidad máxima de agua que puede absorber un suelo en determinadas condiciones, valor que es variable en el tiempo en función de la humedad del suelo, el material que conforma al suelo, y la mayor o menor compactación que tiene el mismo.

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5.1. Humedad del sueloUn suelo seco tiene mayor capacidad de infiltración inicial por el hecho de que se suma fuerzas gravitacionales y de capilaridad.

5.2. Temperatura del suelo y condiciones de contornoComo la capacidad de infiltración es una de las medidas de infiltración, que a su vez es también un fenómeno de flujo de agua atreves del suelo, su medida depende directa o indirectamente de la temperatura del agua, del suelo y de las condiciones de contorno, cualquiera que sea la profundidad del suelo. Entre las condiciones de contorno se puede enumerar las siguientes:

Compactación debido a la lluvia Compactación por animales o intervención humana Arado de la tierra Formación de grietas por acción de raíces de plantas

5.3. Entrada superficial

La superficie del suelo puede estar cerrada por la acumulación de partículas que impidan, o retrasen la entrada de agua al suelo.

5.4. Transmisión a través del suelo

El agua no puede continuar entrando en el suelo con mayor rapidez que la de su transmisión hacia abajo, dependiendo de los distintos estratos.

5.5. Acumulación en la capacidad de almacenamiento

El almacenamiento disponible depende de la porosidad, espesor del horizonte y cantidad de humedad existente.

5.6. Características del medio permeable

La capacidad de infiltración está relacionada con el tamaño del poro y su distribución, el tipo de suelo arenoso, arcilloso, la vegetación, la estructura y capas de suelos.

5.7. Características del fluido

La contaminación del agua infiltrada por partículas finas o coloides, la temperatura y viscosidad del fluido, y la cantidad de sales que lleva

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6. Métodos para calcular la infiltración

Se usan los infiltrómetros, que sirven para determinar la capacidad de infiltración en pequeñas áreas cerradas, aplicando artificialmente agua al suelo. Los infiltrómetros se usan por lo general en pequeñas cuencas o en áreas pequeñas o experimentales dentro de cuencas grandes.

Siendo la infiltración un proceso complejo, a partir de los infiltrómetros es posible inferir la capacidad de infiltración de cualquier cuenca en forma cualitativa y no cuantitativa.

6.1. Métodos directos

Valorar la cantidad de agua infiltrada sobre una superficie de suelo.

6.2. Métodos indirectos

Se determina la capacidad de infiltración considerando una cuenca perfectamente controlada, con datos precisos de precipitación, evaporación y escorrentía, se puede determinar la infiltración.

6.3. Ensayo de infiltración

Los ensayos de infiltración permiten conocer la variación de la capacidad de infiltración en función del tiempo, decreciente a medida que transcurre el mismo. Los ensayos más simples y difundidos son los que se desarrollan con los anillos concéntricos. Los datos obtenidos de campo se vuelcan en una planilla registrándose las distintas alturas de agua y los tiempos correspondientes.Los intervalos de tiempo dependen del suelo donde se hace la medición. Con los datos de altura y tiempo se obtienen los deltas de ambos. La capacidad de infiltración se obtiene haciendo el cociente entre cantidad de agua infiltrada y el intervalo de tiempo: f = Variación altura / Variación de tiempo.

Se obtienen dos curvas: De lámina acumulada, y la curva de capacidad de infiltración, ambas en función del tiempo:

Curva de capacidad de infiltración: Velocidad máxima con que el agua penetra en el suelo, la capacidad de infiltración depende de muchos factores; un suelo

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desagregado y permeable tendrá una capacidad de infiltración mayor que un suelo arcilloso y compacto. Forma de obtener la Curva de capacidad de infiltración. Si se tiene una serie de tormentas sucesivas en una cuenca pequeña y se dispone del hietograma e hidrograma correspondientes, es posible obtener la curva de la capacidad de infiltración aplicando el criterio de Horner y Lloys.Del hietograma para cada tormenta, se obtiene la altura de lluvia hp y según el hidrograma, la lluvia en exceso, he, a que dio lugar. A continuación se calcula el volumen de infiltración F, expresado en lámina de agua, que es: En la ecuación anterior hf debe dividirse entre el tiempo promedio en que ocurre la infiltración en toda la cuenca. En este criterio se acepta que la infiltración media se inicia cuando empieza la lluvia en exceso y continúa durante un lapso después de que ésta termina. En este momento, si la tormenta cubre toda el área, la infiltración continúa en forma de capacidad e irá disminuyendo conforme el área de detección del escurrimiento disminuye. Horton considera que el periodo equivalente durante el cual el mismo volumen de infiltración pasa, desde que la lluvia en exceso finaliza hasta que cesa el flujo sobre tierra, se puede detectar al analizar el hidrograma correspondiente Según lo anterior, el tiempo promedio en el que ocurre la capacidad de infiltración se expresa como: Donde: t = duración de la infiltración (h) de = duración de la lluvia en exceso (h) Δ t = periodo desde que termina la lluvia en exceso hasta que seca el flujo sobre tierra (h) Por lo tanto, la capacidad de infiltración media será: f = hf / t Donde: hf = altura de infiltración media (mm) t = duración de la infiltración (h) Una vez conocido el valor de f para cada tormenta, se lleva a una gráfica en el punto de cada periodo t. Al unir los puntos resultantes se obtiene la curva de capacidad de infiltración media.

6.4. Ecuación de Horton

Una de las primeras ecuaciones de infiltración fue desarrollada por Horton en1939, quien, a partir de experimentos de campo, estableció, para el caso de un suelo sometido a una precipitación con intensidad siempre superior a la capacidad de infiltración, una relación empírica para representar el declive de la infiltración con el tiempo puede ser presentada de la siguiente forma:

I t=I b+( I i−I b )e−kt

Dónde:

t = tiempo pasado desde la saturación superficial del suelo

k = constante de decaimiento [T-1]

It= tasa de infiltración en el tiempo t

Ii= tasa de infiltración inicial (t = 0)

Ib= tasa mínima de infiltración (asintótica).

La tasa mínima de infiltración Ib teóricamente sería igual a la conductividad hidráulica saturada Ksat, si no hubiese el efecto del aire comprimido en el interior

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del suelo, dificultando la infiltración. Por eso I b es normalmente menor que Ksat. El ajuste de la ecuación de Horton a datos medidos en ampo permite la determinación de los parámetros Ii, Ib y k. El parámetro Ib es fácilmente identificable en los experimentos, porque representa la conductividad hidráulica saturada aparente del suelo (aparente porque incluye la resistencia proporcionada por el aire comprimido en los poros del suelo natural). El parámetro Ii también es obtenido inmediatamente de los experimentos porque es un a tasa de infiltración inicial, esto es una tasa de infiltración en el momento en que es alcanzada la saturación superficial y comienza a haber escurrimiento (exceso) superficial, lo que equivale a decir que Ii es igual a la intensidad de la precipitación que saturó la superficie del suelo. Establecidos Ib e Ii resta apenas determinar el parámetro k, lo que es hecho a través del ajuste de la ecuación anterior a los puntos I y t medidos en campo. Integrando la ecuación anterior con respecto al tiempo, se obtiene la ecuación de los volúmenes infiltrados acumulados en el tiempo:

V f=Ii−I bK

(1−e−Kt )+ I b t

Donde Vf= volumen infiltrado acumulado hasta el tiempo t, contado a partir del momento en la superficie del suelo se saturó.

6.5. Índice phi de infiltración

El Índice Φ de pérdidas es definido como

La intensidad media de la lluvia, por encima de la cual el volumen de la escorrentía superficial es igual al volumen de la lluvia neta.

En función de la definición anterior, el Índice Φ de pérdidas tiene las unidades de intensidad de lluvia (mm/hr) siendo necesario, para su cálculo, conocer a partir de mediciones el valor de la escorrentía superficial así como la distribución en el tiempo de la lluvia que la generó en la cuenca en estudio.

Esquemáticamente se presenta el basamento de este método en la siguiente figura

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En la figura se observa que el área sombreada representa la escorrentía media (mm) sobre el área de la cuenca y la no sombreada es la lluvia medida que no figura como escorrentía, es decir, constituye las pérdidas, incluyendo retención superficial, evaporación e infiltración; esta área es lo que representa el índice Φ.

Resumidamente el método se centra en la separación en el hidrograma de la parte que pertenece a la escorrentía superficial de la que pertenece a las pérdidas, aplicación del método del Índice Φ de pérdidas con un ejemplo:

Dadas las distribuciones de precipitación en la siguiente tabla, calcular el índice de infiltración sabiendo que la escorrentía superficial o directa fue de 42 mm.

DT(hr)

1 2 3 4 5 6 Total

I(mm)

8 23

28

19

12

6 96

Resolución.

En primer lugar tengamos en cuenta que, al ser el intervalo de tiempo entre datos de precipitación igual a 1 hora, los valores de intensidad necesarios para la aplicación del método son los mismos valores de precipitación:

DT(hr) 1 2 3 4 5 6

I(mm/hr)

8 23 28 19 12 6

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El cálculo del índice Φ de pérdidas se realiza por iteración, suponiendo un valor inicial y determinando si el área positiva del histograma de intensidades es igual a la escorrentía directa medida (42 mm para este ejemplo).

De esta forma, supongamos que hubo escorrentía superficial directa (ESD) las 6 horas de la precipitación. La infiltración, en la primera iteración será de:

I1=96mm-42mm=54 mm, a la que corresponde:

Φ 1= 54mm/6hr = 9mm/hr

Este valor implica que la lluvia de la primera hora y la de la última no contribuyen a la escorrentía (quedan por debajo de la línea horizontal definida por Φ), por lo que el nuevo valor de infiltración se obtiene de restar al de la primera iteración (54 mm) las precipitaciones de la hora 1 y la hora 6:

I2=54mm-8mm-6mm=40 mm, que divididos por las 4 horas respectivas resulta en:

Φ2= 40mm/4hr = 10mm/hr

Con este valor, al estar por debajo de las intensidades de lluvia desde la hora 2 hasta la 5, se determina el área de la escorrentía para cada intervalo (Diferencia entre las intensidades suministradas y 10 mm/hr):

DT(hr) 1 2 3 4 5 6

ESD(mm/hr)

– 13 18 9 2 –

La suma de la escorrentía (13 + 18 + 9 + 2) es igual a 42 mm (el valor de la escorrentía superficial medida), por lo cual se puede establecer que el valor final del Índice Φ de Infiltración en este ejemplo es de 10 mm/hr.

En el gráfico de la figura siguiente se presenta el histograma con los valores aquí calculados.

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6.6. Método del SCS para abstraccionesLa búsqueda de una relación simple entre la precipitación (P) y el escurrimiento (Q) directo ha sido una de las tareas básicas de los modeladores de los procesos hidrológicos en cuencas o en parcelas experimentales. Este trabajo es particularmente crítico cuando la información de precipitación disponible en la mayoría de las cuencas hidrográficas sólo existe a nivel diario. Así, el SCS (Soil Conservation Service del U. S. Department of Agriculture; actualmente llamado NRCS o Natural Resources Conservation Service) planteó en la década de las cuarenta una aproximaciones prácticas a la relación entre la precipitación y el escurrimiento directo. De estos desarrollos emergió el denominado método del número de curva del SCS, que actualmente es usado por el NRCS y muchas otras instituciones.

El modelo del NC establece una relación empírica entre el escurrimiento directo Q (mm) y la precipitación P (mm), a escala diaria, como:

Q = (P-IA) ²/ (P-Ia+S), P>Ia

Q= 0, de otra forma (1)

Donde, Ia (mm) es la abstracción inicial antes del escurrimiento (almacenamientos superficiales, intercepción por la vegetación, evapotranspiración, infiltración antes de la saturación del suelo y otros factores) y S (mm) es un parámetro de retención, el cual varía espacialmente por cambios en el tipo y uso del suelo, manejo y pendiente; así como por cambios temporales en la humedad del suelo.

El parámetro Ia generalmente se expresa en función de S:

Ia= kS (2)

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Donde, el valor de k es puesto generalmente como 0.2 (SCS, 1972; NRCS, 2004) y S es estimado como:

S= 25.4 ((1000/NC)-10) (3)

Donde, NC (0 a 100), adimensional, es función de la humedad antecedente del suelo, la pendiente del terreno, el uso del suelo y sus prácticas de manejo, principalmente.

La Ecuación 1 permite establecer una relación funcional entre P y Q que se utilizan en forma práctica, ya que depende sólo de NC que se puede estimar a partir de información disponible (mapas temáticos del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática, por ejemplo), aunque no actualizada, en las cuencas hidrográficas; con excepción del uso de la tecnología de los sensores remotos. Esta ecuación da una falsa apariencia de funcionalidad, particularmente cuando se tiene el soporte institucional del SCS/NRCS.

7. Conclusiones Al principio la velocidad infiltración es alta y luego declina hasta que se hace

constante más o menos a los 120 minutos. El índice phi de infiltración es la pérdida incluyendo retención superficial,

evaporación e infiltración. El índice de Horton es una medida de la capacidad de drenaje de una cuenca. El SCS es una relación empírica entre el escurrimiento directo Q (mm) y la

precipitación P (mm).

8. Bibliografía

German MONSALVE: “hidrología en la Ingeniería”. Escuela Colombiana de Ingeniería. Bogotá. 1995

Rafael HERAS: “Manual de Hidrología”. Centro de Estudios Hidrográficos. Madrid.1970.

Rolando SPRINGALL: “Hidrología”. Universidad Autónoma de México. 1976. Emilio CUSTODIO - Manual Llamas: “Hidrología Subterránea”. Ediciones

Omega. Barcelona. (España). 1983. En línea “infiltración” http://info.elriego.com/velocidad-de-infiltracion-del-agua-

en-distintos-tipos-de-suelo/ En línea “infiltración” http://www.biblioteca.udep.edu.pe/BibVirUDEP/tesis/pdf En línea “infiltración” http://www.infoiarna.org.gt/guateagua/img/ciclohid.jpg En línea “infiltración” http://ing.unne.edu.ar/pub/infi.pdf En línea “ecuación de Horton” http://www.biblioteca.udep.edu.pe/BibVirUDEP/tesis/pdf En línea “capacidad de infiltración” http://www.construaprende.com/docs/tesis/296-presas?start=5 En línea “capacidad de infiltración imágenes”

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https://www.google.com/search?q=capacidad+de+infiltracion&source En línea “curva de capacidad de infiltración” www.es.slideshare.net

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