I .

SOCIEDAD MEXICANA DE LA CIENCIA DEL SUELO .

XXI CONGRESO NACIONAL DE LA CIENCIA DEL SUELO DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE LA

CIENCIA DEL SUELO, CD. JUAREZ, CHIHUAHUA. 8 - 'il de noviembre de 1988. ! I

EL SIMULADOR DE LLUVIAS: UNA HERRAMIMTA PARA LA CARACTERIZACION

HIDRODINAMICA, DE LOS SUELOS.

EL SIMULADOR DE LLUVIAS: UNA HERRAMIENTA PARA LA CARACTERIZACION

HIDRODINAMICA DE LOS SUELOS.

Jean ASSELINE

ORSTOM ( I n s t i t u t o Francs de Investigacin para el Desarrollo en Cooperacin) I n s t i t u t o de Ecologia (Mxico)

,

INTRODUCCION.

E l agua es u n elemento esencial para l a vida y para todo desarrollo.

Slo el adecuado conocimiento de l o s procesos, naturales ligados a l a accin

del agua puede permitir a l hombre intervenir para mejorar l a economa,

acrecentar l a produccin vegetal o animal y d i s m i n u i r los efectos nocivos o

desvastadores d e 1 as fuer tes 1 luvias. I

3 Durante s ig los l o s campesinos han observado l o s eventos naturales y

han obtenido a t ravs de ellosconocimientos empricos.

mejorado l o s mtodos de investigacin a trav's de l a experimentacin en

parcelas de observacin, por medio de las cuales son medidos y analizados

los efectos d e l l u v i a s simuladas sobre lo s suelos y l a s plantas.

Los c i e n t f i c o s han

I

. Conocer l a s posibil idades,de in f i l t r ac in del agua en lo s suelos es u n

dato esencial que se viene tratando de medir con precisin desde hace mucho

tiempo. Con este f i n , numerosos mtodos han s ido o son todava u t i l i zados ,

como por e jempl o :

1. En campo: Mtodo: - MUNTZ - MUNTZ modificado por PIOGER - PORCHET

1

$

2. En laborator io: Metodo -VERGI ERE

y o t r o s mas.

L

Estas tcn icas de medicin proporcionan informaciones t i l e s , sobre todo

I comparativas, pero t ienen muchos defectos al medir u n fenmeno bajo una lmina

de agua (po r l o t an to ba jo una carga), o de perturbar seriamente el suelo y ,

por consiguiente, de a l e j a r se de l o s mecanismos naturales reales .

tados obtenidos con l a ayuda de estos mtodos estan frecuentemente alejados

de l o que sucede realmente en condiciones naturales y no pueden proveernos

valores absol u tos .

Los resul-

\

Las carencias de estos mtodos pusieron en evidencia l a necesidad de

nuevas tcnicas mas cercanas de l a s condiciones naturales pero sin el azar y . I

* I

l o s caprichos d e e s t a misma naturaleza, porque, para es tudiar b i e n u n fenmeno

sabemos que l o deal es poder reproducirlo a voluntad.

As7 naci l a idea de rea l izar aparatos que permitieran reproducir

a r t i f ic ia lmente 1 luv ias con ca rac t e r s t i ca s semejantes a l a s 1luvias;naturales:

l o s simuladores de lluvias..

responder a e s t a s exigencias,pero el mismo estaba l imitado a tres fue r t e s

intensidades (64, 83 y 117 mm/h),' as7 como a u n rea c i r cu la r reducida.

En l o s Estados Unidos (Nebraska) s e puso a p u n t o un gran simulador de l l u v i a s

(SWANSON, 1965), que .permita i r r i g a r dos parcelas de 50 metros cuadrados cada

una con intensidades de 50, 60, 90 y 120 m/h.

r

E l infiltrmetro de BERTRAND y PAAR (1960) v i n o a

1 .

Es sobre e s t e modelo que l a

c ORSTOM construy en Costa de Marfil en 1972 u n aparato que t i ene l a ventaja

de r ea l i za r l l u v i a s sobre parcelas de 10 m de largo, l o que permite observar

l o s efectos de un.comienzo de escurrimiento encauzado. ,

Durante seis aos numerosos estudios se real izarbn con este simulador

sobre un t r ansec t0 clim5tico que va d e Abidjan (Costa de Marfil , 1.800 rran de -

l luvia anualll) hasta l a zona pre-sahariana (Burkina Fasso y Niger, 200 m m . ) .

El elevado costo de su transporte y funcionamiento ( u n ingeniero,

4 tcnicos, varios peones trabajando 8 dias para l a instalacin de una ex-

periencia; 2 camiones, 2 vehculos todo-terreno, 4 motobombas, una planta

electrgena, 2 reservorios de 30 metros ctlbicos cada uno , e t c . ) , nos

condujeron a disear u n modelo de menor costo, mayor mov i l idad y que no

estuviera res t r jngido a slo 4 intensidades f i j a s de l luv ias .

~*

En 1976, pusimos a p u n t o en Abidjan (Costa de Marfil) u n minisimulador

de l luvia cuya primera versin permita t r aba ja r con una gama de intensidades

comprendidas en t re 37 y 150 mm/h.

algunas modificaciones COM el f i n de obtener intensidades menores y de d i s m i n u i r

el consumo de agua. E l modelo actual en sus dos versiones (cabeza mecnica o .

electrnica) permite t r aba ja r con intensidades comprendidas entre 12 y 150 mm/h,

siendo posible cambiar de intensidad en cualquier momento durante l a marcha

Desde entonces el aparato ha sufrido

, *

de l a experiencia. Para su 'manipulaci6n se requiere s l o dos o t r e s personas,

L . - u n vehculo todo-terreno y una cis terna de u n metso cbico.

?

Principios de l a simulacin de l luv ias .

E l aparato fu'e concebido para permitir simular l luv ias de intensidades

predeterminadas (conocidas y regul adas) sobre una superf ic ie cuadrada de

aproximadamente cuatro metros cuadrados, a l centro de 1 a cual e s t . instalada

en el suelo una parcela de u n metro cuadrado, ubicada en el sentido de l a

pendiente.

el agua no i n f i l t r a d a en el suelo.

const i tuye el escurr i m i ento.

i

La parcela en su parte baja presenta u n pequeo canal que recibe

Esta agua s e recupera por gravedad y

3

1

La cantidad de escurrimiento es medida:

- de manera continua con l a ayuda de un limngrafo, o - de manera discontrnua tomando muestras con una probeta cada minuto.

Conociendo l a intensidad de l a l luv ia y l a ' intensidad del escurrimiento,

por diferencia podemos conocer l a i n f i l t r ac in del agua en e.1 suelo.

A

d

O I- z W

. .

A - 'Hietogramo B - Hidrogramo

' c - TURKDIGRAM0 D - Solidigramo. 0 - Muestras - --I

I 1

. I

I

Principio de funcionamiento de u n minisimulador de l luv ias .

Un s o l o aspersor ( t i p o TEE JET 5560), alimentado con agua a presin

constante, provee u n chorro de agua plano en forma de abanico. 'Este aspersor,

ub

de

ba

cado a 3,70 m de a l t u r a cdn respecto al suelo, es sometido a un movimiento

balanceo. La superficie i r r igada es proporcional a l a amplitud de e s t e

anceo. E l caudal aspersado es siempre constante, por l o tan to , a medida

que aumenta l a super f ic ie i r r igada , l a parcela central recibe menos agua, y

viceversa. L

. .

1

I

- 5ngulo de osci lacin pequeo - iingulo de osci lacin grande - super f ic ie i r r igada reducida. - super f ic ie i r r igada mayor - f u e r t e intensidad de l l u v i a - dbil intensidad de l l u v i a

Un d i s p o s i t i v o mecnico o electrnico permite controlar l a amplitud de

balanceo del aspersor y hacerlos v a r i a r a voluntad.

A cada amplitud Corresponde*una intensidad de l l uv ia . Esta intensidad ! .

es verificada antes y despus de cada l l u v i a por medio de un pluvi6metr-o

instalado en l a parcela.

5

Descri pcidn del simul ador.

Esquema de u n simu3ador de l luv ias . 1 .#&..IC. .I,

C,,II. . . e,... --res II "D.1.8. ,o.., Y. . , .O,UI

. /

Diagrama del sistema de aspersion.

2 topes

ngulo de osc i lac in 1 i m i a 70$

najes amp1 d.el movimi (re1 acin.

i f icadores ento 1/41

I

transmisin de movimiento por frccin permitiendo un balanceo terico superior a 360, pero realmente l imitado a 70".

6

E l s i s t e m a de a s p e r s i 6 n e s th montado s o b r e u n armazn en I forma d e t r o n c o de p i r a m i d e c u a d r a d a .

El armazdn

- nuevo disposi t ivo de balanceo 1 - limitado del aspersor que permi te :

d i s m i n u i r l a s intensidade: reducir 1 a s dimensiones

i\ del cuadro superior eliminar el salpicado r ec i c l a r una par te del

8. 1

super f ic ies de t e l a recoqen' el excedente . d e

2 .canal e t a s 3 a , ewe1 ven a l reservor5o

. \ '

8 . O'

- - l a cal ibracin de l a separacin entre l a s canaletas permite cambiar 1.a - supe r f i c i e i r r igada. --

7

1

E1 armazn estb cons t ru ido con tubos metlicos cuadrados de 25 y 30 mm.

E l sopor ta l a tuber a de alimentaci6n del agua, a s como u n manmetro y l o s

comandos de cal ibracin.

Un t o l d o recubre el conjunto a f i n de eliminar l o s efectos del viento.

La ins ta lac i6n de l a parcela es una.operacin delicada e importante, I

debe e s t a r ubicada exactamente a

a l a pendiente.

requiere de mucho cuidado. La l i n e a de aber turas que permiten el desage

nivel de l a super f ic ie del suelo y perpendicular

mngrafo a f i n de r eg i s t r a r de manera continua

l a s variaciones de n ive l en el recipiente de recuperacin.

1 Es p re fe r ib l e u t i l i z a r un 1

La provisin de agua requiere de una c i s t e rna de por l o menos 600 1, y de

, un reservorio de 100 a 150 1 c1ocado.en el suelo a l lado del minisimulador.

Una pequea bomba trmica o e l c t r i c a , u n sistema de l laves y manmetro

aseguran una presin constante de 0.5 bar

t ivos de recuperacin permiten, cuando s e usan intensidades bajas, recuperar una

a n ive l del aspersor. Los d i spos i - I

I * . I 1 - . I 1 - ~ C . - 2 - J - 1 - - -1 -_1- Parze aer agua y l imizar ia super-ricie ae suelo rnojdad.

Performances.

. - . .

I

- 1 1 - Una gama d e intensidades amplia: de 12 a 150 mm/h. E l cambio de intensiaaa

se puede e fec tua r sin interrumpir l a experiencia, l o que da l a posibil idad

de simular una l l u v i a natural con d i s t i n t a s combinaciones de intensidades-

- E l consumo de agua var a entre 200 y 550 l / h segn l a s intensidades-

- Transportable y d e fdcil manipulacin durante l o s desplazamientos. ,Un solo*' vehculo es s u f i c i e n t e para s u t ras lado .

8

- Liviano, de alrededor de 70 k g , se desplaza fcilmente con cuatro personas y an con dos personas plegando l a s patas. '

- Costo relativamente modesto.

- Tcnica mechica simple en el caso de l a ver I

i6n no electt$nica, que permite

intervenir en el caso de descomposturas.

- Se puede t r a b a j a r a l abrigo del viento ,gracias a l toldo.

- La energ'ia c ine t i ca d e l a s gotas de l l uv ia es muy s imilar a l a s encontradas i en l a naturaleza.

Ll u v i a s natural es:

Kelkar : India

,

Relacin e n t r e l a energa c in t i ca y l a s intensidades d e l l uv ia s .

I

I

i

I

l

a

I Campo de u t i l i zac in del minisimulador.

A l a escala de uno o de pocos metros cuadrados este aparato permite

simular a voluntad eventos l l uv iosos con absoluto control sobre:

- 1 tiempo y l a frecuencia: hora de l a l l u v i a , duraci6n, intervalos entre eventos , .etc. I

- La intensidad: de 12 a .150 mm/h, con posibil idad de mantenerla constante o de hacerla cambiar durante el evento.

- La a l tu ra d e l a l l u v i a determinada por el producto de intensidad y duracin.

- La energa c in t i ca resul tante .

- La localizacin en el espacio: t i p o de suelo y de super f ic ie , cobertura vegetal, pendiente, etc. .

Es evidente que debe hacerse una descripcin minucipsa y rigurosa de l a s

parcelas estudiadas y de su ambiente para i a u t i l i zac in u l t e r i o r de l o s

resul tados obtenidos.

La c a r a c t e r i z a c i h de un c i e r to nmero de parmetros importantes en este

t i p o de estudios determina l a necesidad del empleo de o t ros aparatos, como

por ejemplo:

- Un equipo que permita seguir e l estado de humectaci6n de l suelo: humidmetro neutrnico, equipo d e tensimetros o , ms simple, el mtodo pondera1

mediante el uso de barrena.

destructor de e s t e iltimo mtodo hace muy d i f c i l l a repet ic in de experien-

c i a s en una misma parcela.

No obstante , hay que recordar que el efecto

- Fotografa v e r t i c a l : con l a ayuda d e un ms t i l , de un b a r r i l e t e o d e , #

' globos f i j o s . I

_- ICI --

I I

- Una g r i l l a de t i p o " p o i n t quadrat" como l a s usadas en f i toecologia , mejorada con el f i n de sistematizar el reg is t ro de l a cobertura vegetal ,

de l o s estados de l a super f ic ie del suelo y del microrelieve de l a parcela.

E l campo de u t i l i zac in del minisimulador de l luv ias es vasto, corres-

ponde a cada investigador d e f i n i r l a problemtica a resolver, a s como el

pro toco1 o ms 'adecuado.

Este aparato, concebido inicialmente para es tudiar l a capacida de

i n f i l t r a c i n y de escurrimiento de suelos (al p r i n c i p i o l o llamamos i n f i l -

trmetro de aspersin) ha v i s t o ampliarse su campo de accin muy rpidamente.

A t t u l o de ejemplo se ha revelado t i l en muchos o t ros campos como:

- Jest de sens ib i l idad a l a erosi6n.

- Efectos de es t reses h d r i c o s en estudios ecofis iolgicos sobre especies s i l v e s t r e s o cul t ivadas.

- Determinacin de l a a l tu ra de agua necesaria para germinacin.

- Efectos de l a energfa c ine t ica de l a s l l u v i a s sobre l a germinaci6n.

- Economa del agua en fun,cin de l a u t i l i zac in de residuos de l a cosecha an te r io r en e l caso de l a - p i a y el mijo: m u l c h i n g , quema o enterramiento.

- Efectos d e d i s t i n t a s tcnicas de t raba jo de suelos agr5colas en el almace- namiento del agua en el p e r f i l .

- Efectos de d i fe ren tes t i p o s de l luv ia en l a e f ic ienc ia d e abonos u o t ros productos f i t o san i t a r i o s u t i1 izados en agr icu l tura .

- Efectos sobre -propagacin d e esporas de l a roya de l arroz generada por l a energa de l a s go ta s"de l l uv ia .

tas: efecto de l a s l l u v i a s sobre l a formaci6n de termiteros. - Ecologa de term

- Eficacia de tratamientos contra nemtitodos del plttano en funci6n de l a pluviometra., e tc .

Actualmente 27 aparatos t i p o ORSTOM-ASSELINE estn en uso en

16 en Africa, 5 en Europa, 3. en Amrica Latina, 1 (y muy pronto o

Mxico, Estas c i f r a s no incluyen numerosas copias derivadas del

p r i nci p io .

el mundo,

ros 2)en

mismo

Otros numerosos t i p o s de simuladores han s i d o fabricados en el mundo,

como l o menciona el Ing. Snchez Cohen (Seminarios Tcnicos PRONAPA, Vol. 4 ,

No 4, 1987).

e s t e modelo l o hacen ms recomendable que o t ros .

- Amplia gama de intensidades.

- Igualmente u t i l i z a b l e en e'l campo como en laborator io .

- Simplicidad en el funcionamiento que hace posible l a multiplicacin de l a s

No obstante, l a reuni6n de varias ca rac t e r s t i ca s favorables en

experiencias.

- Escala de t rabajo de metro cuadrado que l o hacen adecuado para los.estudios I de de ta l Je y para l a experimentaci6n en el campo.

- Costos de construccin y de u t i l i zac in modestos.

Sin embarga, es importante no o lv idar que, a l a escala del metro cuadrado,

l a s informaciones obtenidas son perfectamente adecuadas para hacer estudios

comparativos. Particularmente in te resantes en l o que concierne a l a i n f i l t r a -

cin y el escurrimiento. Informaciones para estudios comparativos sobre l a

sensibi l idad a l a erosin pueden igualmente ser obtenidas.

a todo u t i l i zador contra e l pel igro de extrapolacin de l o s resultados a

o t r a s escalas , sin haber verificado previamente l a concordancia.

Pero, prevenimos

12

Resultados. Dos ejemplos. ,

Ejemplo 1.

Efecto d e l a formaci6n de costra superf ic ia l debido a l a energfa c inet ica

de l a l l u v i a , sobre l a emergencia del mijo (Niger),.

Al tu ra d e l a Energa d e l a % de hoyos sembrados l l uv ia I l l uv ia productivos

(1 (joul es/mZ)

35.8 81 20

38.3 45 40 . ^

Ejemplo 2.

.Efectos combinados de intensidad de l l u v i a y de dos tcnicas de laboreo

del suelo sobre l a emergencia de l a cebada.

90

80

70

60

50

40

Porcentaje d e emergencia de cebada despus d e una l l u v i a ,de 28 rmn de a l tu ra con intensidades d e 25 y 84 m/h. La intensidad de 84 mlh fue aplicada de dos modos: con y sin malla protectora-para disminuir l a energa c ine t ica de l a s gotas.

13

Parcel as :

R84 M - Laboreada con r a s t r a , l l uv ia de 84 mm/h con malla R25 - Laboreada con r a s t r a , l l uv ia de 25 mm/h sin malla

84 mm/h con malla D84 M - con discos, - 25mm/h sin malla

84 mm/h sin malla

84 mm/h sin malla

I

Il II

I I II II 11 D25 - R84 - D84 -

I I r a s t r a II

11 I discos, I I

En l o s dos casos nosotros constatams que a u n aumento de l a energa

c in t ica de l a l l u v i a corresponde una disminucin de l a emergencia.

puede expl icarse p o r l a formacin de una costra en l a super f ic ie de l suelo

que d i f i c u l t a l a emergencia de l a s plantulas.

pulverizan el suelo agrava e s t e efecto.

Esto

E l empleo de aparatos que I

14

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