CURSO DE

HIDROLOGIA

LA INFILTRACIN

INTRODUCCIN

El anlisis de la infiltracin en el ciclo hidrolgico es de importancia bsica en la relacin entre la precipitacin y

el escurrimiento, por lo que en este captulo se

introducen los conceptos que la definen, los factores que

la afectan, los mtodos que se usan para medirla y el

clculo de dicha componente en grandes cuencas.

Definicin.

La infiltracin es el proceso por el cual el agua penetra desde la superficie del terreno hacia el suelo. En una

primera etapa satisface la deficiencia de humedad del

suelo en una zona cercana a la superficie, y

posteriormente superado cierto nivel de humedad, pasa

a formar parte del agua subterrnea, saturando los

espacios vacos.

13

2

A medida que el agua infiltra desde lasuperficie, las capas superiores del suelose van humedeciendo de arriba haciaabajo, alterando gradualmente suhumedad. En cuanto al aporte de agua, elperfil de humedad tiende a la saturacinen toda la profundidad, siendo lasuperficie el primer nivel a saturar.

Normalmente la infiltracin proveniente deprecipitaciones naturales no es capaz desaturar todo el suelo, slo satura lascapas ms cercanas a la superficie,conformando un perfil tpico donde el valorde humedad decrece con la profundidad.

ESTUDIO DE INFILTRACIN: TASA, INTERCEPCIN, LLUVIA

EFECTIVA, EFICAZ Y NETA.

Si se establece un balance hdrico para una tormenta queda la siguiente expresin: P = I + F + S + Q

P = precipitacin total, I = intercepcin de la vegetacin que impide que la lluvia alcance el suelo. Se denomina intercepcin total a todo el agua

de precipitacin que es detenida por el follaje vegetal. Una parte

mnima se evapora y regresa a la atmsfera, que se conoce como

intercepcin efectiva. F = Infiltracin, S = agua que queda en depsitos

superficiales, concavidades del terreno. Q = escorrenta superficial, que

va a ir a parar a los cauces directamente.

La relacin entre C. infiltracin e Intensidad de Precipitacin define :

Lluvia efectiva: Es la precipitacin que llega al suelo, descontado la

intercepcin efectiva.

Lluvia eficaz: Precipitacin que genera escurrimiento superficial, y

ocurre cuando la intensidad de precipitacin es mayor que la capacidad

de infiltracin durante el desarrollo de una tormenta.

Lluvia neta o en exceso: Es la parte de la lluvia eficaz que

efectivamente produce escurrimiento en forma directa, durante una

tormenta (intensidad de infiltracin).

CONCEPTOS

Tasa de capacidad de infiltracin:

Volumen de agua que entra al suelo en un

rea unitaria por unidad de tiempo

Velocidad de infiltracin: Altura de

agua que entra al suelo por unidad de

tiempo. Es mayor en suelos arenosos que

en suelos arcillosos

Arenosos : 25,0 mm/hr

Francos : 10,0 mm/hr

Arcillosos : 2,5 mm/hr

Capacidad de infiltracin.

Es la cantidad mxima de agua que puede absorber un suelo en determinadas condiciones,

valor que es variable en el tiempo en funcin de la

humedad del suelo, el material que conforma al

suelo, y la mayor o menor compactacin que tiene

el mismo.

Al colocarlos sealtera el terreno

El recorrido del aguainfiltrada es diferente

al real

Para reproducir elproceso se deben

utilizar simuladores

de lluvia

1. Simuladores de

lluvia: Aplican agua

constante reproducien-

do lo ms fielmente la

lluvia. Las gotas son

del tamao de las de

la lluvia y tienen una

energa de impacto

similar, comparndose

los efectos. Varan en

tamao, cantidad de

agua necesaria y

mtodo de medicin.

El rea varia entre 0.1

a 40 m2. La diferencia

entre P y E representa

la valoracin del

volumen infiltrado

Ecuacin de Horton: Desarroll una ecuacin matemtica para definir la

curva de capacidad de infiltracin: f = fc + (fo - fc) e- K * t

Donde: fc: Capacidad de infiltracin inicial mxima.

fo: Capacidad de infiltracin bsica mnima.

K: Constante de decaimiento.

t: Tiempo desde el inicio del ensayo.

Los valores de fo, fc y K estn asociados a los suelos y a su cubierta

vegetal. Se determina fo en suelo completamente seco y fb en suelo

totalmente saturado.

El postulado de Horton establece que la curva que representa la capacidad de infiltracin se manifiesta de esa manera, solo y solo si

la intensidad de precipitacin es mayor que la capacidad de infiltracin

del suelo analizado. Este principio o postulado es debidamente

respetado en el ensayo de infiltracin de doble anillo, porque siempre

hay agua en superficie que satisface la capacidad de absorcin que

tiene el suelo en su grado mximo o potencial, cualquiera sea el

tiempo que transcurre desde el inicio del ensayo.

Capacidad de infiltracin en grandes cuencas

La dificultad para calcular la infiltracin en grandescuencas ha conducido al empleo de diversos

ndices de infiltracin, que deben correlacionarsecon los factores indicativos de las condiciones

iniciales de humedad, y as calcular el hidrograma de

una cuenca en una tormenta determinada.

Para hallar la capacidad de absorcin media en unacuenca, se tiene que admitir :

1.que es uniforme en toda la cuenca;

2.que la escorrenta sea tambin uniforme en toda

ella;

3.que la lluvia sea uniforme en su distribucin

espacial.

a)ndice de infiltracin media :

Se admite que para una tormenta dada y en lascondiciones iniciales que el valor de recarga de la

cuenca es constante durante toda la duracin de la

tormenta. En el grfico de la intensidad media de la

lluvia en funcin del tiempo, el ndice representala intensidad media por encima de la cual todo

excedente se transforma en escorrenta.

Es claro que el ndice integra, en formaexcesivamente simplificada, la accin de la

intercepcin de los diversos almacenamientos

superficiales y de la infiltracin

REPRESENTACIN DEL INDICE DE PRDIDAS

Lluvia efectiva = escorrenta

Prdidas

Intensidad de lluvia (mm/h)

Tiempo en Horas

Clculo Duracin en Exceso (de)

Todos los HU se calculan para una de

Una forma de calcularla es por medio del ndice de infiltracin (), en mm/hora.

Hiptesis:

La recarga en la cuenca debida a la tormenta en estudio permanece constante a travs de la duracin de la misma.

La intensidad de la lluvia es constante en toda la cuenca

Se necesita contar con:

Hietograma de la tormenta

Hidrograma de la tormenta

Mtodo del ndice de infiltracin ()1. Del hidrograma de la tormenta aislada, calcular el

volumen de escurrimiento directo (Ve)

2. Conocida el rea de la cuenca (A), se obtiene la altura de precipitacin en exceso (hpe) como:

3. Se supone un ndice de infiltracin () y se localiza en el hietograma de la tormenta.

4. Se calcula la altura de precipitacin en exceso (hpe) correspondiente al valor supuesto para () en el paso anterior sumando los incrementos de las ordenadas del hietograma (hp -t) que se encuentren por encima de este valor supuesto

5. Se compara la altura de precipitacin en

exceso hpe (paso 4) con la obtenida del hidrograma (paso 2), en caso de ser

iguales, el valor supuesto para ser el correcto:

6. Pero, si hpe hpe , se supone otro valor de y se repiten los pasos 3, 4 y 5, hasta encontrar para un valor de la igualdad entre hpe y hpe (paso 5).

7. Una vez encontrado el , se localiza en el hietograma y se observa cual es la duracin en exceso de, que provoca la precipitacin en exceso hpe

hpei < : En estos casos se aceptaque todo lo que llueve se infiltra. No se

recomienda calcular el volumen infiltrado

a partir de esta grfica

8. El volumen de

infiltracin real se

aplica la ecuacin:

Ejercicio:

Calcular el ndice de infiltracin media () y la duracin en exceso (de), para una tormenta cuyo hietograma de precipitacin media se muestra en las columnas 1 a 3 de la tabla 5.5. Adems, se sabe que el volumen de escurrimiento directo deducido del hidrograma correspondiente para esa tormenta, es de 16106 m3 y el rea de la cuenca drenada es de 200 Km2.

Ejercicio: Solucin

1. La altura de la precipitacin en exceso es:

2. Como el hietograma esta hecho para un intervalo de tiempo constante t = 3 hr, para facilidad de clculo y para ser localizado en dicho hietograma los valores supuestos para , debern expresarse en mm/3hr.

Ejercicio: Solucin Se procede a dar valores a ,

hasta obtener del hietograma correspondiente hpe = 80 mm.

Por ejemplo si se supone un valor inicial de = 13 mm/3 hr del hietograma se obtiene hpe = 45.5 mm (columna 4 de tabla . Como: hpe =80 hpe = 45.5

se supone otro valor de . Anlogamente, para = 9

mm/3hr del hietograma se obtiene hpe = 62.4 mm (columna 5 de la tabla)

Para = 5.3 mm/3hr del hietograma se obtiene hpe= 80.1mm 80 mm

Se concluye que el valor buscado para es:

Ejercicio: Solucin

En la figura se muestra el

hietograma de la

tormenta con el = 5.3 mm/3hr,

correspondiente a

una hpe = 80 mm.

En esta figura se

observa que la

duracin de la lluvia

en exceso es:

de = 18 hr

METODO DEL US SCS

Mtodo del ndice de curva

Este mtodo tiene en cuenta todas las prdidasposibles y el resultado proporciona la precipitacin

eficaz sobre una zona, que es la cantidad de agua

que no circula por el terreno y se queda retenida tras

una precipitacin P.

Formulacin Matemtica del mtodo S.C.S.

La relacin fundamental estimada por el Soil Conservation Service de USA, es la siguiente:

donde:

F = infiltracin real (retencin actual)

S= infiltracin potencial o parmetro de retencin (S F)

Pe= escorrenta potencial o exceso de precipitacin (Pe Q)

Q = escorrenta real

eP

QF

S

La ecuacin se considera vlida a partir del inicio de la ES

Toda la P ocurrida antes del inicio de dicho ES es considerada como prdida y

no contribuye al flujo superficial. Estas

prdidas son denominadas las

ABSTRACCIONES INICIALES (Ia) y

constan de varios componentes:

intercepcin, almacenamiento en

depresiones e infiltracin inicial

En cuencas grandes, parte del agua infiltrada retorna como ESS o subterrneo, pero no son consideradas en el anlisis de tormentas puesto que tienen un tiempo de retardo suficientemente largo como para no influenciar el hidrograma de escorrenta directa. De acuerdo con lo anterior:

Pe = P Ia y F = Pe Q

En esta relacin se ignora la abstraccin inicial. Como S depende de Ia, el estudio de una gran cantidad de eventos permiti la obtencin de una relacin emprica entre dichas variables, definida por:

Ia = 0,2 S

donde: S = S + Ia S = infiltracin potencial mxima

SP

)(PQ

e

2

e

La Ecuacin que relaciona Ia con S, se basa en datos obtenidos experimentalmente en cuencas

grandes y pequeas. No es necesario mayor

exactitud, puesto que para poder fragmentarIa

en sus componentes, se requiere disponer de

datos que normalmente no estn disponibles.

Por la misma razn se considera una buena

aproximacin el coeficiente 0.2. Sustituyendo se

obtiene:

0.8SP

0.2S)(PQ

2

La principal limitacin es estimar S, lo cual depende de factores edficos, condiciones

de la superficie y la humedad antecedente.

El SCS luego de analizar gran cantidad de hidrogramas de cuencas experimentales

ha estimado S en base a un valor llamado

CN (Nmero de Curva), que se relaciona

con S por la ecuacin:

mm10)CN

100025.4(S

Nmero de

Curva:

Condiciones de humedad antecedentes

Uso de la tierra

Condiciones hidrolgicas del suelo como

indicador de la cobertura vegetal

Grupo hidrolgico del suelo como

indicador de infiltracin

Tratamiento superficial al que ha sido

sometido el suelo

La relacin entre la P y ES para estas tres condiciones es expresada mediante un determinado Nmero de Curva

CONDICIONES INICIALES DE LA CUENCA

PRECIPITACIN INICIAL El volumen de lluvia en un perodo de 5 a 30 das antes a una tormenta determinada

CONDICIONES INICIALES condiciones que se producen en la cuenca con respecto al escurrimiento potencial

El S.C.S. reduce estas condiciones a los siguientes casos:

Condicin I: (suelo seco)Es el caso en que los suelos se secan sin llegar al punto de perder la cohesin; o sea, cuando se puede arar o cultivar en buenas condiciones (lmina 0-35 mm).

Condicin II: (suelo normal)Es el caso medio para crecidas anuales, es decir, las condiciones medias existentes antes de que se produjera la mxima crecida anual en dichas cuencas (lmina 35-50 mm).

Condicin III: (suelo hmedo)Cuando en los cinco das anteriores a la tormenta dada, se han producido lluvias fuertes o lluvias tenues con bajas temperaturas y el suelo est casi saturado (lmina mayor de 50 mm).

Usos de la Tierra

El uso de la tierra tiene efecto sobre la respuesta de la cuenca a los fenmenos hidrometeorolgicos. A medida que se desforesta una cuenca aumentan los picos de crecida y baja el caudal de estiaje (caudal mnimo del ro, a partir del cual se miden las crecidas).

Dependiendo de la clasificacin de los suelos, uso de la tierra, tratamiento o prctica y de la condicin hidrolgica, se determina el Nmero de Curva a la condicin II de humedad antecedente (Tabla), ya que sta es representativa de la condicin del suelo.

Los valores de CN para las condiciones I y III se encuentran tabulados en la bibliografa o se estiman mediante las Ecuaciones

donde:

CN I = condicin de humedad antecedente seca.

CN II = condicin de humedad antecedente normal.

CN III = condicin de humedad antecedente hmeda

Condicin Hidrolgica

El tipo de cobertura vegetal tiene un marcado efecto sobre el proceso de intercepcin, evapotranspiracin, escurrimiento superficial e infiltracin. Los diferentes tipos de vegetacin existentes sobre una cuenca, gobiernan el grado de influencia de la cobertura vegetal sobre estos procesos; sin embargo, durante la tormenta prevalece la infiltracin.

La condicin hidrolgica, como indicador de la situacin para la infiltracin, se usa como ndice de la cobertura vegetal; as, se define como sigue:

Buena : cobertura de 75%

Regular : entre 50% y 75%

Mala : menor del 50%

Clasificacin Hidrolgica de

los Suelos

A: Bajo potencial de escorrenta. (Muy permeable) Suelos con alta tasa de Infiltracin, an muy hmedos. Consisten de arenas o gravas profundas, bien o excesivamente drenadas. Suelos con alta tasa de transmisin de agua.

B: Moderadamente bajo potencial de escorrenta. (Permeable) Con tasas de Inf. moderadas, an muy hmedas; moderadamente profundos a profundos, moderadamente bien drenados a bien drenados, suelos con texturas moderadamente finas a moderadamente gruesas y permeabilidad moderadamente lenta a moderadamente rpida. Son suelos con tasas de transmisin de agua moderadas.

C: Moderadamente alto potencial de escorrenta. (Impermeable) Con infiltracin lenta cuando muy hmedos, que impide el movimiento del agua hacia abajo; texturas moderadamente finas a finas; infiltracin lenta debido a sales o lcali o suelos con niveles freticos moderados. Pueden ser pobre o moderadamente bien drenados con estratos de permeabilidad lenta a muy lenta a poca prof. (50-100 cm).

D: Alto potencial de escorrenta. (Muy impermeable) Con infiltracin muy lenta cuando muy hmedos. S. arcillosos con alto potencial de expansin; nivel fretico alto permanente; con estrato arcilloso superf., con infiltracin muy lenta debido a sales o lcali y poco profundo sobre material casi impermeable. Tasa de transmisin de agua muy lenta.

Por otro lado, la altura de lluvia total P se relaciona con la altura de lluvia efectiva

Pe, mediante las curvas mostradas en la

figura 1

Estas curvas se pueden expresar algebraicamente mediante la ecuacin

Que resulta ms prctica que usar la grfica

en forma especial para valores de P

pequeos

NOTA:

Para tomar en cuenta las condiciones iniciales de humedad del suelo, se hace

una correccin al CN obtenido de la Tabla

3, segn la altura de precipitacin

acumulada cinco das antes de la fecha, de

la siguiente manera:

Si P5 < 2.5 cm, hacer correccin A

Si 2.5 < P5 < 5 cm , no hacer correccin

Si P5 > 5 cm , hacer correccin B

N N con

correccin A

N con

correccin B

0 0 0

10 4 22

20 9 37

30 15 50

40 22 60

50 31 70

60 40 78

70 51 85

80 63 91

90 78 96

100 100 100

Este mtodo es til y popular por cuanto en la mayor parte de las cuenca del pas

no estn aforadas con mucha frecuencioa

y no se cuenta con estos datos, por lo que

es necesario tener mtodos con los que

se pueda estimar la altura de lluvia

efectiva (hpe) a partir de la total y las

caractersticas de la cuenca.

GR

AC

IA

S

Ensayos de la infiltracin.

Mtodos directos:

1. Lismetros: Es un depsito enterrado, de paredes verticales, abierto

en su parte superior y relleno del terreno que se quiere estudiar. La

superficie del suelo est sometida a los agentes atmosfricos y recibe

las precipitaciones naturales. El agua de drenaje es medida, al igual

que la humedad y la temperatura del suelo a diferentes profundidades.

Los inconvenientes son la necesidad de perodos largos, la

reconstruccin del suelo no es adecuada ya que no se reproduce

exactamente igual el proceso que el mismo sufri debido al accionar de

la naturaleza y el hombre.

2. .

3. Infiltrmetros: Para realizar el ensayo de infiltracin en el campo se

utiliza el infiltrmetro. Es un aparato sencillo, de uno o dos tubos de

chapa de dimetro fijo. Se clava en el suelo a una profundidad

variable, se le agrega una cierta cantidad de agua y se observa el

tiempo que tarda en infiltrarse.

Tubos: Es un tubo de cilndrico de 0,20 a 0,25 cm de dimetro y un alto de 0,60 m, que se hinca en el suelo, midindose el descenso del

agua, con el principal inconveniente que el agua infiltrada por el

crculo del fondo, en las zonas del suelo a los lados del aparato

participan tambin en la infiltracin; dando medidas superiores a la

realidad.

Infiltrmetros: Son dos anillos concntricos, usndose el interior, de 23 cm. de dimetro para determinar la velocidad de infiltracin,

mientras que el exterior de 35 cm se inunda a las mismas

profundidades para disminuir los efectos de frontera en el anillo

interior. Los anillos se insertan en el suelo a la profundidad mnima

necesaria para evitar las fugas de los mismos. La medicin es menor

que la anterior y ms concordante con la capacidad real del suelo.

El mtodo de Muntz trabaja con los mismos anillos pero cambia la forma de medir: junto al cilindro interior se entierra

una punta, colocndose una determinada cantidad de agua

por encima y repitiendo la medicin en intervalos de tiempo

y descenso del agua.

Los principales inconvenientes, aparte del carcter local de la experiencia, son que el suelo se modifica al clavar el tubo,

y no hay efectos de compactacin, ni de arrastre de finos, ni

del aire.

Se aclara que el terreno no es preparado para el ensayo de infiltracin, si no que se hace sobre el terreno natural. Como

la medicin vara segn el estado de humedad inicial

existente al momento del ensayo, deben realizarse una serie

de ensayos para distintos grados de humedad

Mtodos indirectos: Se determina la capacidad de infiltracin

considerando una cuenca perfectamente controlada, con datos

precisos de precipitacin, evaporacin y escorrenta, se puede

determinar la infiltracin.

Ensayo de infiltracin: Los ensayos de infiltracin permiten conocer la variacin de la capacidad de infiltracin en funcin del

tiempo, decreciente a medida que transcurre el mismo.

Los ensayos ms simples y difundidos son los que se desarrollan con los anillos concntricos. Los datos obtenidos de campo se

vuelcan en una planilla registrndose las distintas alturas de agua y

los tiempos correspondientes. Los intervalos de tiempo dependen

del suelo donde se hace la medicin. Con los datos de altura y

tiempo se obtienen los deltas de ambos.

La capacidad de infiltracin se obtiene haciendo el cociente entre cantidad de agua infiltrada y el intervalo de tiempo: f = Variacin

altura / Variacin de tiempo.

Se obtienen dos curvas: De lmina acumulada, y la curva de capacidad de infiltracin, ambas en funcin del tiempo:

Ecuacin de Horton: Desarroll una ecuacin matemtica para definir la

curva de capacidad de infiltracin: f = fc + (fo - fc) e- K * t

Donde: fc: Capacidad de infiltracin inicial mxima.

fo: Capacidad de infiltracin bsica mnima.

K: Constante de decaimiento.

t: Tiempo desde el inicio del ensayo.

Los valores de fo, fc y K estn asociados a los suelos y a su cubierta

vegetal. Se determina fo en suelo completamente seco y fb en suelo

totalmente saturado.

El postulado de Horton establece que la curva que representa la capacidad de infiltracin se manifiesta de esa manera, solo y solo si

la intensidad de precipitacin es mayor que la capacidad de infiltracin

del suelo analizado. Este principio o postulado es debidamente

respetado en el ensayo de infiltracin de doble anillo, porque siempre

hay agua en superficie que satisface la capacidad de absorcin que

tiene el suelo en su grado mximo o potencial, cualquiera sea el

tiempo que transcurre desde el inicio del ensayo.

VALORES REPRESENTATIVOS

DE fo , fc y k.

Tipo de Suelo

Valor del parmetro

fb mm/h fo mm/h k min.-1

Desnudo 280 6-220 1.6

Agrcola estndar con

materia orgnica.900 20-290 0.8

Pantanoso 325 2-20 1.8

Arenoso fino desnudo 210 2-25 2

Arcilloso con materia

orgnica.670 10-30 1.4