UNA PUNO

PRACTICA № 4: PRUEBA DE INFILTRACIÓN CON CILINDROS

CON CARGA VARIABLE

INTRODUCCIÓN:

Una variable importante en el diseño de los sistemas de riego, es la velocidad con que el agua, ingresa a

la masa del suelo para llenar la zona de raíces. La infiltración puede ser definida como la entrada vertical

del agua en el perfil del suelo, y los factores mas importantes que afectan a la tasa de infiltración son:

- Textura del suelo.

- Características físicas del suelo

- Características de humedad del suelo

- Contenido de humedad inicial.

- Contenido de humedad de saturación.

- Cobertura vegetal.

- Aire atrapado.

- Lavado del material fino.

- Compactación.

- Temperatura del suelo y del agua, sus cambios y diferencias.

- Labores agrícolas realizadas.

- Carga hidrostática usada en la prueba.

- Contenido de materia orgánica y carbonatos.

- Grado de uniformidad del perfil del suelo.

- Calidad del suelo

Entre otros usos de la prueba de infiltración, nos permitirá obtener también la cantidad de infiltración,

nos permitirá obtener también la cantidad de agua que puede infiltrarse en una cuenca, microcuenca

hidrográfica… para así estimar la cantidad de escorrentía superficial. En el diseño de los sistemas

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de riego por gravedad, es para determinar el tiempo de riego y longitud del surco o melgas, mientras

para el de presurizado en la intensidad de aplicación.

II. OBJETIVOS:

Obtener con el uso de cilindros infiltrómetros lo siguiente:

- Velocidad de infiltración instantánea.

- Infiltración acumulada.

- Velocidad de infiltración promedio.

- Velocidad de infiltración básica.

III. CONCEPTOS BASICOS:

Infiltración:

Se define como el movimiento del agua, a través de la superficie del suelo hacia adentro del mismo,

producido por la acción de las fuerzas gravitacionales y capilares. La diferencia entre el volumen del

agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre genérico de pérdidas.

En general, las pérdidas están constituidas por la intercepción en el follaje de las plantas y n los techos

de las construcciones, la retención en depresiones o charco (que posteriormente se evapora o filtra), la

evaporación y la infiltración.

La infiltración juega un papel de primer orden en la relación lluvia escurrimiento, y por tanto en los

problemas de diseño y predicción asociados a la dimensión y operación de obras hidráulicas. En

general el volumen de infiltración es varias veces mayor que el escurrimiento durante una tormenta

dada, especialmente en cuencas con un grado de urbanización relativamente bajo. Sin embargo la

infiltración recibe poca atención por parte de los ingenieros proyectistas, quizá por falta de

herramientas adecuadas para su tratamiento.

a) Infiltración instantánea (Ii):

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Es 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. El modelo de forma exponencial que representa la

ecuación fue propuesto por KOSTIAKOV.

Ii = a tob

Donde:

Ii = velocidad de infiltración instantánea (mm/hr; cm/hr; cm/min; pulg/hr.)

to= tiempo de oportunidad (tiempo de contacto del agua con el suelo)en min, hr.

a= coeficiente que representa la velocidad de infiltración para to =1.0 min.

b= exponente que varia entre 0 y -1 (tiene significado físico)

b) Infiltración acumulada (Ia):

integrando la ecuación de infiltración instantánea entre los límites 0 y t se tiene la función

correspondiente:

Si:

a / (b+1) = A

b+1 = B

Entonces:

Ia = A t B

Donde:

A = a/ (b+1), coeficiente de lámina acumulada cuando to = 1 min.

B = b+1, pendiente de la función que varia entre 0 a 1.0.

Ia = Lamina acumulada en unidades de longitud (cm, pulg)

t = tiempo acumulado en minutos.

c) Velocidad de infiltración básica (ib):

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Es el valor instantánea cuando la velocidad de cambio de la infiltración para un periodo standard

de tiempo es mayor al 10% de su valor. El tiempo al cual se logra la infiltración básica se

encuentra igualando la primera derivada de la ecuación (li) con el 0.1 de la misma ecuación.

Reemplazando y simplificando se tiene el tiempo básico de:

tb = -10 b (horas)

tb = - 600 b (minutos)

Reemplazando las ecuaciones anteriores se obtiene: Ib = a (Tb.) b, según las unidades de tiempo.

d) Velocidad de infiltración promedio (Ip):

Es la relación entre la infiltración acumulada y el tiempo acumulado.

EFECTO BUFFER: s el efecto amortiguador que tendrá el cilindro exterior y permitirá que el flujo

del agua dentro del suelo sea vertical.

IV. MATERIALES Y EQUIPOS:

01 juego de cilindros infiltrómetros de fierro galvanizado de 2m de espesor, de 30 y (40-50) cm de

diámetro uno interior y el otro exterior, de unos 40 cm. De alto ambos.

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1. 01 equipo para la instalación de cilindros.(madera, comba y nivel de carpintero).

2. Cinta adhesiva, lapiz o tiza.

3. 1 escalimetro o regla graduada.

4. 1 gancho medidor del nivel del agua.

5. 1 cronometro.

6. 2 baldes y una lamina de plástico de polietileno.

7. Hoja de registro

V. METODO:

Una ves elegido la ubicación donde se efectuaran las pruebas, se sigue el siguiente procedimiento

5.1) Instalación de los cilindros.

Ubicar los cilindros de infiltración en el lugar escogido y presionarlos en el suelo.

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Colocar el tablón sobre el cilindro, golpear suavemente con la comba hasta que el cilindro

comience a penetrar en el suelo, observando que los cilindros estén verticales.

Pararse sobre el tablón y golpear suavemente con la comba, hasta que el cilindro penetre a la

profundidad deseada, los golpes deben darse verticalmente durante la prueba. No debe

introducirse el cilindro irregularmente por cuanto pude producir disturbación en el suelo.

El cilindro interior será introducido a una profundidad de aproximadamente 6 pulgadas. El

cilindro exterior no necesita instalarse en forma tan minuciosa como el de infiltración y se

ubica a menor profundidad (4”). Se recomienda instalar primero el cilindro exterior y luego el

interior. Una vez instalados los cilindros. Se mueve con cuidado el suelo que se encuentra

adyacentes y en las paredes de estos se coloca una regla graduada fijándola adecuadamente

en la parte externa del cilindro interior, luego se extiende una lámina de plástico sobre la

superficie del suelo del cilindro interior.

5.2) Llenado de agua y registro de datos.

Proceder a su llenado con agua al cilindro interior (sobre el plástico), aproximadamente una

lamina de 4 a 6 pulgadas.

En el momento de aplicar agua al cilindro exterior, inmediatamente retirar del cilindro interior el

plástico para así iniciar al instante las lecturas de la carga de agua.

Es preferible que simultáneamente sean llenados con agua los dos cilindros, lo cual requiere

que dos personas operen a la vez y que el nivel de agua en el cilindro interior y exterior deben

ser aproximadamente el mismo. El agua entre los cilindros es para tratar de anular la

infiltración lateral que pueda presentarse en el cilindro interior (efecto buffer).

Las lecturas del nivel de agua en el cilindro interior se medirá con el escalimetro o regla

graduada (previamente instalada) y el gancho metálico. Se continuara con las mediciones a

intervalos de tiempo corto inicialmente, y luego podrán ser aumentados (2, 5, 10, 20, 30min)

hasta que la infiltración se haga sensiblemente constante (alcanzar infiltración básica).

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Cuando se ha infiltrado alrededor de 2 o 3 pulgadas de altura de agua en los cilindros, se

procede a llenarlos nuevamente procurando alcanzar el, mismo nivel inicial de agua. Siendo

esta operación ser hecha rápidamente.

Se deberá tener cuidado de registrar el nivel de agua inmediatamente antes y después de

cada llenado de agua, de modo que el intervalo de tiempo trascurrido en el llenado sea

considerado como cero.

Registrar los datos de campo, anotándose en las columnas correspondientes del formato.

5.3) Calculo de las funciones de infiltración.

En base a los datos de capo obtenidos, se procede al llenado del resto de columnas del

formato.

Determinar las funciones matemáticas respectivas y sus coeficientes de determinación (r2).

La determinación de los parámetros de la función de infiltración acumulada, velocidad de

infiltración instantánea e infiltración promedio pueden realizarse mediante el método grafico o

analítico, para lo cual se utiliza la información de campo semiprocesada. Si es por el método

analítico, puede procederse mediante el método estadístico de “mínimos cuadrados”, donde el

tiempo es considerado como variable independiente.

Efectuar un diagrama de la velocidad de infiltración instantánea, infiltración promedio e

infiltración acumulada VS tiempo. Ya sea a escala logarítmica o aritmética.

VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

FORMATO DE LA PRUEBA DE INFILTRACIÓN

Lugar: facultad de ciencias agraria UNA Puno

Método: Por cilindros infiltrómetros

Textura del suelo: Franco arenoso

HORA TIEMPO (min.) LECTURA LAM. INFIL. (cm.) VEL. INFIL. (cm./hr)

Parcial Acum. (cm.) Parcial Acum.(La) Inst. (Ii) Prom.(Ip)

11:43:00 0 0 27.00 0 0 0 0

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11:45:00 2 2 23.8 3.2 3.2 63 63

11:47:00 2 4 22.2 1.6 4.8 63 63

11:49:00 2 6 20.6 1.6 6.4 63 63

11:51:00 2 8 18.8 28.00 1.8 8 63 63

11:53:00 2 10 26.2 1.8 9.8 32 54.5455

11:55:00 2 12 24.6 1.6 11.4 32 49.7143

11:57:00 2 14 23.1 1.5 12.9 36 46.1053

12:00:00 3 17 28.00 21.5 1.6 14.5 28.8 42.5

12:03:00 3 20 24.5 3.5 18 26.4 39.7241

12:08:00 5 25 22.4 28.00 2.1 20.1 21.6 37.0588

12:13:00 5 30 24.1 3.9 24 23.4 35.3077

12:23:00 10 40 28.00 20.00 4.1 28.1 20.1 32.2041

12:33:00 10 50 20.5 28.00 7.5 35.6 24 30.8136

12:53:00 20 70 28.00 21.5 6.5 42.1 20.4 29.3043

13:13:00 20 90 19.02 28.00 8.8 50.9 21 28.2532

13:43:00 30 120 18.8 9.2 60.1 16.5 25.8788

Infiltración acumulada (I):

I = A x tB

Ln I = Ln A+ B Ln t

Y =Ao+Bx

Ao= 0.221919081

A = atilog Ao = 1.666936699 = 1.67

B = 0.71097926815 = 0.71

r = 0.995292647 = 0.99

I = 1.67 t 0.71

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a) Infiltración instantánea (i):

(d I / d t)= i

i = 0.71 * 1.67 to 0.71-1

b) Infiltración básica:

i = ato b → tiempo de oportunidad

ib = atb b → tiempo básico

tb =-600 (b) (min.)

tb = -600 ( -0.29)

ib = 71.142 (174min)-0.29

c) Infiltración Promedio:

Ip= I/ t

Ip = ((a t b+1)/ (b+1)) /t

Ip = (a t b )/ (b+1)

Ip= (71.142 t-0.29)/ (-0.29+1)

GRAFICO DE INFILTRACIÓN ACUMULADA VS. TIEMPO

I = 1.67 t 0.71

i = 71.142 to -0.29 cm/hr.

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i = 1.1857 to -0.29 cm/min.

tb = 174 min.

ib = 15.94 cm. /hr)

ib = 159.4 mm. /hr)

Ip = 100.2 t-0.29 cm. /hr.

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Tiempo (min)

Ia (cm)

Tiempo (min.) Ia (cm.) Tiempo (min.) Ia (cm.)

1 1.67 130 52.92

10 8.56 140 55.78

20 14.01 150 58.58

30 18.68 160 61.33

40 22.92 170 64.02

50 26.85 180 66.67

60 30.56 190 69.28

70 34.09 200 71.85

80 37.49 210 74.38

90 40.76 220 76.88

100 43.93 230 79.35

110 47.00 240 81.78

120 49.99 250 84.19

10

I = 1.67 t 0.71

UNA PUNO

GRAFICO DE INFILTRACIÓN INSTANTANEA VS. TIEMPO

i = 71.142 to -0.29 cm/hr.

Tiempo (min)

i (cm/hr)

Tiempo (min.) i (cm./hr) Tiempo (min.) i (cm./hr)

1 71.142 130 17.34

10 36.48 140 16.97

20 29.84 150 16.64

30 26.53 160 16.33

40 24.4 170 16.04

50 22.88 180 15.78

60 21.70 190 15.53

70 20.75 200 15.30

80 19.96 210 15.09

11

i = 71.142 to- 0.29

cm/hr.

UNA PUNO

90 19.29 220 14.89

100 18.71 230 14.69

110 18.20 240 14.52

120 17.75 250 14.35

GRAFICO DE INFILTRACIÓN PROMEDIO VS. TIEMPO

Ip = 100.2 t-0.29 cm. /hr.

Tiempo (min)

Ip (cm/hr)

Tiempo (min.) Ip (cm./hr) Tiempo (min.) Ip (cm./hr)

1 100.2 130 24.42

10 51.39 140 23.91

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Ip = 100.2 t- 0.29

UNA PUNO

20 42.03 150 23.43

30 37.37 160 22.99

40 34.38 170 22.59

50 32.22 180 22.22

60 30.56 190 21.88

70 29.23 200 21.56

80 28.12 210 21.25

90 27.17 220 20.97

100 26.36 230 20.69

110 25.64 240 20.45

120 24.99 250 20.21

VII. CUESTIONARIO:

1. ¿Qué función tiene el cilindro exterior?

El cilindro exterior al tener también agua en el mismo nivel que el cilindro interior evita de esta manera

que el agua que está infiltrando se desvíe a los costados donde se está realizando la prueba de

infiltración.

2. Sugerir sobre el tamaño y material de los cilindros utilizados

El tamaño mas adecuado de los cilindros usados para la prueba de infiltración es de 40-50 cm. de

alto, y con un diámetro 40-45 cm. para el cilindro exterior y 30-35 cm. para el cilindro interior. Con

respecto al material debe ser de acero galvanizado, para evitar la oxidación del mismo puesto que se

trabaja con agua.

3. ¿Cómo interpreta los resultados obtenidos?

La infiltración básica con respecto a la textura del suelo (que es franco arenoso) es

159.4 mm/hr. , quiere decir que la infiltración es rápida es por eso que los intervalos

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de tiempo en el cual se han medido la infiltración son cortos. Además la lectura inicial

del agua y la lectura actual no debe ser mayor a cinco, si esto ocurre entonces se

debe agregar agua.

En el grafico de infiltración acumulada la pendiente es positiva, pero ocurre una cosa

diferente en la pendiente de la infiltración instantáneas y la infiltración promedio, esto

ocurre porque el exponente de t que es b (pendiente de la función que varía entre 0 y-

1en la infiltración instantánea y la infiltración promedio; en la infiltración acumulada

varia entre 0-1), tiene signo positivo en el caso de la primera y su signo es negativo en

la infiltración instantánea y promedio.

4. ¿Qué puede decirse sobre los valores de los parámetros de las funciones obtenidas respecto a la

textura del suelo?

En el caso de la infiltración instantánea, a (coeficiente de velocidad de infiltración para

to =1 min.), es medio por la textura franco arenoso del suelo en el que se ha realizado

la práctica de la infiltración

En el caso de la infiltración acumulada la lamina total infiltrada es 58.1 cm, lo cual

indica que la infiltración es rápida ya que el tiempo en el cual se ha realizado la

practica de la infiltración ha sido 169 minutos solamente, en comparación con otras

practicas de infiltración realizadas anteriormente en otro tipo de suelo con diferente

textura indica que en un mayor tiempo la infiltración totales menor.

En la infiltración básica como ya se ha indicado anteriormente es alto por se 159.4

mm/hr.

5. ¿El número de pruebas de infiltración por área, a que factor se ajustaría?

Existen diferentes criterios sobre este aspecto, sin embargo, dependiendo del proyecto y la

importancia que el mismo signifique, deben realizarse como mínimo cuatro o más pruebas en

sitios uniformemente espaciados sobre el campo de absorción propuesto. En situaciones de

exploración, para un proyecto de viviendas, cuando se trabaja con los terrenos en verde, los sitios

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de prueba deben estar separados 30 metros pero nunca más de 50 metros. Para el caso de

viviendas unifamiliares, es conveniente la realización de dos pruebas.

Un primer factor sería que el área en estudio no es totalmente homogéneo en cuanto

a textura, pendiente, etc.; es por eso que se necesitaría realizar mayor número de

pruebas.

Para cotejar las respuestas y obtener la infiltración lo más correctamente posible y

que se ajuste al las condiciones del suelo, es por eso que es necesario realizar varias

pruebas de infiltración.

VIII. BIBLIOGRAFÍA:

1. Losada, A. y otros. Fundamentos de la hidrología y de la práctica de los riegos. Madrid: Ediciones

Mundi-Prensa, 1997.

2. Pascual España, Bernardo. El riego: principios y prácticas. Valencia: Universidad Politécnica,

1990.

3. Gómez Pompa, Pedro. Apuntes de riego. Madrid: P. Gómez Editor, 1996.

ANEXO:

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