09 Infiltracion 2012-2
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INFILTRACIO N Huancayo - 2011 1
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INFILTRACION
Huancayo - 2011 1
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¿Dónde podemos encontrar agua?Aunque nosotros no la podamos ver con nuestros propios ojos, en el suelo también hay agua, esta es llamada agua subterránea. El agua subterránea es el agua de lluvia que se infiltra en el suelo y se almacena en los poros de la tierra.
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El suelo contiene diversas capas de agua que son llamadas acuíferos, todos estos contienen ciertas cantidades de agua. Cuando cae la lluvia la capa de saturación crece más y como resultado se amplía la capa de agua subterránea.
Conceptos Básic
os a
conocer
Infiltración: es la velocidad con que entra el agua en el perfil del suelo.Permeabilidad: es el movimiento del agua
en flujo saturado en cada uno de los horizontes del suelo.Drenaje: es la eliminación de agua de superficie por infiltración, permeabilidad y escurrimiento.Escurrimiento: es la eliminación del agua superficial debida al relieve.
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Constituida por parte de precipitación que escurre superficialmente. Antes que se incorpore a un cauce natural de cualquier magnitud, lámina de agua que escurre superficialmente flujo superficial.
Escorrentía Superficial
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InfiltraciónLa infiltración juega un papel de primer orden en la relación Lluvia / Escurrimiento y por lo tanto en los problemas de diseño, predicción asociados a la dimensión y operación de las obras hidráulicas, actividad agraria.
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En general, el volumen de infiltración es varias veces mayor que el de escurrimiento durante una tormenta (Lluvia) dada, especialmente en las zonas de urbanización relativamente bajo. (Primeras lluvias que caen en la temporada).
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Infiltración
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Se define como la cantidad de agua en movimiento que atraviesa verticalmente la superficie del suelo producto de la acción de las fuerzas gravitacionales y capilares, ésta cantidad de agua quedará retenida en el suelo o alcanzará el nivel freático del acuífero, incrementando el volumen de éste.
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INFILTRACIÓN
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ESCORRENTÍA/INFILTRACIÓNAgua que cae como lluvia o nieve se puede evaporar, escurrir o infiltrar, dependiendo de:
– Tasa de precipitación– Contenido hídrico del suelo– Pendiente y vegetación
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INFILTRACIÓN / PERCOLACIÓN• Absorción y entrada del agua
hacia interior del suelo
Humedad del suelo
Agua subterránea
Percolación
Infiltración
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INTERCEPCIÓN
Parte de lluvia que cae encima de plantas y que se evapora sin llegar al suelo.
Intercepción
Precipitación
Escurrimiento fustal
Precipitacióndirecta
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Factores más importantes que afectan la velocidad o tasa de infiltración:
Características físicas de la textura del suelo Carga hidráulica o lámina sobre la superficie del suelo Contenido de materia orgánica y carbonatos en el suelo Contenido de humedad del suelo (inicial y a saturación) Grado de uniformidad en el perfil del suelo Acción microbiana en el suelo Temperatura del suelo y del agua Cobertura vegetal Uso del suelo Cantidad de aire atrapado en el suelo Lavado del material fino Compactación
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Proceso de InfiltraciónSi consideramos un área de suelo suficientemente pequeña, de modo que sus características (tipo de suelo, cobertura vegetal, etc), así como la intensidad de la lluvia en el espacio puedan considerarse uniformes. Además supongamos que al inicio de la lluvia, el suelo está lo suficientemente seco para que la cantidad de agua que puede absorber en la unidad de tiempo (es decir su capacidad de infiltración) sea mayor que la intensidad de la lluvia en esos primeros instantes de iniciada la lluvia.
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Proceso de Infiltración
Si: i < fp, entonces f = i
Bajo dicha condiciones, se infiltraría todo lo que llueve, es decir:
Donde
f : 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)
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Proceso de Infiltración
Al avanzar el tiempo y si la lluvia es suficientemente intensa el contenido de humedad del suelo aumentará hasta que la superficie alcance la saturación, en ese momento se empiezan a llenar las depresiones del terreno, es decir se originan charcos y comienza a producirse flujo sobre la superficie. A este instante se le denomina tiempo de encharcamiento y se le denota como tp (ponding time).
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Proceso de Infiltración
Si: i > fp, t > tp, entonces f = fp
Después del tiempo de encharcamiento y si la lluvia sigue siendo intensa, el contenido de humedad del suelo aumentará y la capacidad de infiltración disminuirá con el tiempo. Bajo éstas condiciones la infiltración se hace independiente de la variación en el tiempo de la intensidad de la lluvia, en tanto que ésta sea mayor que la capacidad de transmisión del suelo, de manera que:
Donde
f : 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)
Donde fp decrece con el tiempo.
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Proceso de InfiltraciónBajo 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 el estar todo el medio saturado, el movimiento del agua se produce sólo por la acción de la gravedad y la capacidad de infiltración se hace constante.
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Proceso de InfiltraciónSi 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.
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Estructura del suelo y el agua que se infiltra.
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Métodos para Estimar la Infiltración
Vp = Vll - Ved
Métodos en base a la relación lluvia - escurrimiento directoCuando se tienen mediciones simultáneas de lluvia y volumen de escurrimiento en una cuenca, las pérdidas se pueden calcular de acuerdo a la siguiente ecuación:
Donde
Vp : Volumen de pérdidasVll : Volumen de lluviaVed : Volumen de escurrimiento directo
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F = I - R
Métodos en base a la relación lluvia - escurrimiento directo• Si ambos miembros de la ecuación anterior se dividen entre
el área de la cuenca se obtiene:
Donde
F : Infiltración o lámina de pérdidas acumuladasI : Altura de lluvia acumuladaR : Escurrimiento directo acumulado
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Capacidad de Infiltración Media
ief =Ved/Ac
Este criterio supone que la capacidad de infiltración es constante durante la tormenta. A esta capacidad de infiltración se le llama índice de infiltración media Φ. Cuando se tiene un registro simultáneo de precipitación y escurrimiento de una tormenta, el índice de infiltración media se calcula de la siguiente manera:a. A partir del hidrograma de la avenida se separa el flujo o caudal base y se calcula el volumen de escurrimiento directo.b.Se calcula la altura de lluvia en exceso o efectiva ief, como el volumen de
escurrimiento directo Ved dividido entre el área de la cuenca Ac:
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f = i - r
Si a su vez la ecuación anterior se deriva con respecto al tiempo, se tiene:
Donde
r : Es la lámina de escurrimiento directo por unidad de tiempo. Para ello se usan comúnmente dos tipos de criterios en cuencas aforadas:- Capacidad de infiltración media- Coeficiente de escurrimiento
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Capacidad de Infiltración Media
ief =Ved/Ac
c. Se calcula el índice de infiltración media Φ trazando una línea horizontal en el hietograma de la tormenta, de tal manera que la suma de las alturas de precipitación que quedan arriba de esa línea sea igual a ief. El índice de infiltración media Φ será entonces igual a la altura de precipitación correspondiente a la línea horizontal dividida entre el intervalo de tiempo ∆t que dure cada barra del hietograma.
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Ejemplo:
ief =Ved/Ac
En una cuenca de 36 km2 se midieron el hietograma y el hidrograma respectivo. Determinar el índice de infiltración media que se tuvo durante la tormenta.
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Ejemplo:
Calculando el Volumen de Escurrimiento Directo Ved:
Ved = (10 m3/s x 7 x 3600 s) / 2 = 126 000 m3
Calculando la lluvia efectiva:
ief =Ved/Ac = 126 000 m3 / 36 000000 m = 3.5 mm
Área de la Cuenca = 36 km. = 36 x 106
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Ejemplo:
Calculando el Φ:
4.00
3.153.00
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MÉTODOS EMPÍRICOS Método de Kostiakov (1932) Kostiakov propuso un modelo exponencial
f : Velocidad de infiltración a y b : Coeficientes de ajustet : Tiempo transcurrido desde el inicio de la infiltración llamado también tiempo de oportunidad o tiempo de contacto del agua con el suelo.fbásica : Tasa de infiltración correspondiente a la situación en que la variación entre dos valores consecutivos de f no sobrepasen el 10%.
F : Lámina total infiltrada en el tiempo t desde el inicio de la infiltración.
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MÉTODOS EMPRICOSMétodo de Horton (1940) Horton supuso que el cambio en la capacidad de infiltración puede ser considerada proporcional a la diferencia entre la capacidad de infiltración actual y la capacidad de infiltración final, introduciendo un factor de proporcionalidad k.
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MÉTODOS EMPRICOSMétodo de Horton (1940)Al transformar la ecuación de Horton a una forma logarítmica se obtiene que:
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ESTIMACIÓN DE LA INFILTRACIÓN BÁSICA DEL SUELO
Utilizando el método de Porchet o cilindro invertido. El procedimiento es el siguiente:• Para realizar esta prueba es necesario limpiar el área, hacer un agujero
utilizando un barreno.• Se excava un agujero con radio y altura conocida, se le agrega agua cerca del
punto de saturación del suelo y se toman las lecturas en intervalos de tiempo conocidos.
• El radio del cilindro se conoce como R, la altura conocida h, y el cambio de tiempo t para encontrar la capacidad de infiltración f.
• Para determinar f se utiliza la siguiente ecuación:f = (R/2(t2-t1)) * ln ((2h1 + R)/(2h2 + R))
• Y para determinar f, basta medir pares de valores (h1, t1), (h2, t2), de forma que t2 y t1 no difieran demasiado y entrar con ellos en la expresión dada.
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DETERMINACIÓN DEL BALANCE HÍDRICO DE LOS SUELOS
Se estima el balance hídrico del suelo, utilizando el modelo de Schosinsky (2007), en la cual se ingresaran las variables: características físicas del suelo (textura, densidad aparente), infiltración básica, constantes de humedad (CC y PMP), clima (precipitación y ETP), cobertura y profundidad radicular.La relación entre la infiltración y precipitación, la infiltración y pendiente y la infiltración y cobertura vegetal, estos aspectos proporcionan el coeficiente deinfiltración para un determinado suelo e indica la capacidad de infiltración del mismo.
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Ci = Kfc + Kp + Kv
Donde:Ci: Coeficiente de infiltraciónKfc: Factor de infiltración por efecto del sueloKp: Factor de infiltración por efecto de la pendienteKv: Factor de infiltración por efecto de la cobertura vegetal.
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Schosinsky G. (2007), obtuvo una ecuación que relaciona la capacidad de infiltración de agua en el suelo (infiltración básica) con la intensidad de la lluvia, y es la siguiente:
Kfc = 0.267× Ln( fc)− 0.000154( fc)− 0.723
Donde:Kfc: Factor de infiltración de agua en el suelo e intensidad de lluvia.Ln: Logaritmo neperiano (natural)fc: Valor de infiltración básica en mm/día
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Los valores del factor de infiltración por efecto de la pendiente (Kp) y el factor de infiltración por efecto de la cobertura vegetal (Kv) propuestos por Schosinsky (2007), se presentan a continuación:
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Pendiente % CoeficienteMuy plana 0.02 – 0.06 0.30Plana 0.3 – 0.4 0.20Algo plana 1 – 2 0.15Promedio 2 – 7 0.10Fuerte > 7 0.06
Cuadro: valores de infiltración básica por efectos de la pendiente (kp) Fuente: Schosinsky 2007
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Cobertura Vegetal CoeficienteZacate (<50%) 0.09Terrenos cultivados 0.10Pastizales 0.18Bosque 0.20Zacate (> 75%) 0.21
Cuadro 2, valores de infiltración básica por efectos de la cobertura vegetal (kv) Fuente: Schosinsky 2007El factor Kv, se obtiene mediante el mapa de cobertura vegetal de la cuenca.
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Para calcular la recarga hídrica se sugiere utilizar el siguiente método: Para el cálculo de la recarga hídrica natural se utilizó la siguiente ecuación:
Rh = Pef + HIS - HFS - ETR
Donde:• Rh: Recarga hídrica.• Pef: Precipitación efectiva.• HIS: Humedad inicial del suelo.• HFS: Humedad final del suelo.• ETR: Evapotranspiración real..
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MEDICIÓN DE LA INFILTRACIÓNPara medir la velocidad de infiltración, existen varios métodos, entre ellos:
- Cilindros infiltrómetros- Surcos infiltrómetros- Método de represa o poceta- Método del cilindro
Independiente de la utilidad práctica de cada uno de ellos, los infiltrómetros han sido más recurrentemente utilizados, ya que requieren de menos equipos y materiales, y son más fáciles de instalar y operar.
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Método del CilindroEste método se utiliza para determinar la velocidad de infiltración en suelos en los que se establecerán métodos de riego, tales como acequias en contorno, bordes, tazas, aspersión y goteo.
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Según Gurovich, los materiales necesarios para la ejecución adecuada de éste, son:
a. Cilindro metálico de acero, y un diámetro no inferior a 30 cm y de 0,5 cm de grosor.b. Martillo (pesado para labores de penetración en el suelo)c. Estanque de agua de 10 a 15 litros.d. Agua de igual calidad.e. Regla milimétrica.f. Protector de erosión (plástico, madera en el fondo del cilindro)g. Cronómetro o reloj.
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El registro de las mediciones, se realiza en base a una tabla con distintas alturas de agua en el cilindro, a intervalos periódicos, de modo de registrar intervalos a los 5, 10, 20 ,30 ,45, 60 90..... (tabla N° 1); de igual forma su representación gráfica puede apreciarse en el gráfico N° 1.
Tabla N° 1. Determinación de la velocidad de infiltración de los suelos
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Donde:• I: Velocidad de infiltración en mm/hr• Dh : Diferencial de altura de agua ( cm)• t: Diferencial de tiempo (m)
Para la determinación de la velocidad de infiltración (5) se empleo el coeficiente I:
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Para la determinación de la velocidad de infiltración (5) se empleo el coeficiente I:
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En relación con los datos encontrados en cada uno de los ensayos, se opto por el criterio de utilizar el promedio de los tres valores de menor velocidad de infiltración, con el fin de asumir un criterio conservador en el diseño que asegura un no colapso de las obras. Luego, el valor de infiltración promedio es 72 mm/hr.
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Trabajo 01: A continuación se presentan tres estaciones calcular el valor de la velocidad de infiltración I y realizar las graficas de infiltración, radio del infiltometro 0.30 m.
