INFILTRACION

1.1.- INTRODUCCION

La infiltración es un proceso de gran importancia económica, vista por el ingeniero como un proceso de pérdida y por el agricultor como una ganancia.

El análisis de la infiltración en el ciclo hidrológico es de importancia básica en la relación entre la precipitación y el escurrimiento, a continuación se introducen los conceptos que la definen, los factores que la afectan, los métodos que se usan para medirla y el cálculo de dicha componente.

1.2.- CONCEPTOS GENERALES

In f iltr a ción , proceso por el cual el agua penetra por la superficie del suelo y llega hasta sus capas inferiores; producto de la acción de las fuerzas gravitacionales y capilares [4].

P e r co l ació n , movimiento del agua dentro del suelo, la infiltración y la percolación están íntimamente relacionados, la primera no puede continuar sino cuando tiene lugar la percolación [2].

Fl u jo s ub s uperfic i al , o interflujo es el desplazamiento del agua por debajo de la superficie del terreno.

T r an s m i s ión, ocurre cuando la acción de la gravedad supera a la de la capilaridad y obliga al agua a deslizarse verticalmente hasta encontrar una capa impermeable. Ci r culac i ón , se presenta cuando el agua se acumula en el subsuelo debido a la presencia de una capa impermeable y empieza a circular por la acción de la

gravedad, obedeciendo las leyes del escurrimiento subterráneo.

Figura 1 .1. Infiltración y percolación

La infiltración juega un papel de primer orden en la relación de lluvia y escurrimiento y por lo tanto en los problemas de diseño y predicción asociados a la dimensión y operación de obras hidráulicas.

1.3.- PERFIL DE HUMEDAD DEL SUELO

El perfil de humedad en el suelo se puede dividir en 4 zonas:

Zona de s a t u ra ció n , región somera donde el suelo está totalmente saturado,

Zona d e t r an s ició n , se encuentra por debajo de la zona de saturación; el espesor de ambas zonas (saturación y transición) no cambia con el tiempo.

Zona de t r an s m i s ión , espesor que se incrementa con la duración de la infiltración y cuyo contenido de humedad es ligeramente mayor que la capacidad de campo. Zona de h um e d eci m i ent o , zona donde se unen la zona de transmisión y el frente húmedo, ésta región termina abruptamente con una frontera entre el avance del agua y el contenido de humedad del suelo.

Figura 1.2. Perfil de Humedad en el proceso de infiltración de un suelo homogéneo seco

La descripción anterior corresponde a un suelo homogéneo (no estratificado),

pues la presencia de capas de distintas conductividades hidráulicas causa

retardos en el

avance del frente de humedad, presentando de esta manera desplazamientosanormales y distorsiones en el perfil

estratigráfico.

1.4.- FACTORES QUE AFECTAN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN

La capacidad de infiltración depende de muchos factores, algunos de los factores que se describen a continuación influyen más en la intensidad de infiltración, al retardar la entrada del agua.

1.4.1.- Condiciones de Superficie

Compacidad, cuando un suelo se compacta disminuye la infiltración. Esta es una de las razones por las cuales campos cultivados que soportan el paso de tractores y maquinaria agrícola tienen menos infiltración, lo mismo sucede con los campos de pastoreo donde las pisadas del ganado van compactando el suelo.

Tipos de superficies, las Su p e rf ic i e s de s n ud a s , tienen baja infiltración por que el suelo se halla expuesto al choque directo de las gotas de lluvia, lo que puede dar lugar a una compactación del mismo.

Los agregados de partículas son divididos por el agua, que arrastrará de este modo elementos más finos, con mayor posibilidad de penetrar hacia el interior y obturar los poros y grietas, impidiendo o retardando la infiltración.

Cobertura vegetal, la cobertura vegetal natural aumenta la capacidad de infiltración, una cobertura vegetal densa favorece la infiltración y dificulta el escurrimiento superficial del agua. Una vez que la lluvia cesa, la humedad del suelo es retirada a través de las raíces, aumentando la capacidad de infiltración para próximas precipitaciones.

Pendiente de la superficie, la pendiente del terreno influye por que puede mantener durante más o menos tiempo una lámina de agua de cierto espesor sobre él, de esto se concluye que a mayor pendiente menor infiltración, y viceversa.

Áreas urbanizadas, las áreas urbanizadas reducen considerablemente la posibilidad de infiltración.

Figura 1.3. Áreas urbanizadas reduce la infiltración

Afloramientos rocosos, en zonas con afloramientos rocosos, sin formación de

suelo o siendo éste muy incipiente, la infiltración puede llegar a ser prácticamente nula.

1.4.2.- Características del suelo

Textura del suelo, la textura del suelo influye en la estabilidad de la estructura, en tanto sea menor o mayor la proporción de materiales finos que contenga éste.

Figura 1.4. Variación de la infiltración por textura del suelo

Un suelo con gran cantidad de limos y arcillas, está expuesto a la disgregación y arrastre de estos materiales por el agua, con el consiguiente llenado de poros más profundos.

Tamaño de los poros, la existencia de poros grandes reduce la tensión capilar, pero favorece directamente la entrada de agua.

Figura 1.5. Capacidad de infiltración en diferentes suelos

Entre mayor sea la porosidad, el tamaño de las partículas y el estado de fisuramiento del suelo, mayor será la capacidad de infiltración.

Calor especifico, el calor específico del terreno influirá en su posibilidad de almacenamiento de calor, afectando a la temperatura del fluido que se infiltra, y por lo tanto, a su viscosidad.

El aire que llena los poros libres del suelo, tiene que ser desalojado por el agua para ocupar su lugar, lo que reduce la intensidad de la infiltración, hasta que es desalojado totalmente, en ese momento habrá un incremento de esa intensidad, para finalmente seguir la curva característica indicada en la Figura 5.6

Acción del hombre y de los animales, si el uso de la tierra tiene buen manejo y se aproxima a las condiciones iníciales (virgen), se favorecerá el proceso de la infiltración, en caso contrario, cuando la tierra está sometida a un u s o i n t en s i v o por an i m ales o sujeto al paso constante de vehículos, la superficie se compacta y se vuelve impermeable.

1.4.3.- Condiciones Ambientales

Humedad inicial, la infiltración varía en proporción inversa a la humedad del suelo, un suelo húmedo presenta menor capacidad de infiltración que un suelo seco.

A medida que el suelo se humedece, las arcillas y coloides se hinchan por hidratación, cerrando los vacíos y disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltración.

Temperatura del suelo, las temperaturas bajas del suelo dificultan la infiltración.

1.4.4.- Características del Fluido que Infiltra

Turbidez del agua, por los materiales finos en suspensión que contiene, penetran en el suelo y reducen por colmatación la permeabilidad, y por tanto, la intensidad de infiltración.

Contenido de sales, el contenido de sales, en ocasiones favorece la formación de flóculos con los coloides del suelo, reduciendo en consecuencia, por el mismo motivo anterior, la intensidad de infiltración.

Temperatura del agua, la temperatura del agua afecta a su viscosidad, y en consecuencia, a la facilidad con que aquélla discurrirá por el suelo. Por tal razón las intensidades de infiltración son menores en invierno que en verano.

1.5.- CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN

La capacidad de infiltración es la cantidad máxima de agua que puede absorber un suelo en determinadas condiciones, 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.

La capacidad de infiltración disminuye hasta alcanzar un valor casi constante a medida que la precipitación se prolonga, y es entonces cuando empieza el escurrimiento (Figura 5.6).

La lluvia que es superior a la capacidad de infiltración se denomina lluvia neta o lluvia eficaz.

Generalmente la capacidad de infiltración se la expresa mediante la ecuación 5.1.

(1.1)Donde:

f = Capacidad de infiltración en un tiempo en mm/h

fo = Capacidad de infiltración Inicial en mm/h

fc = Capacidad de Infiltración de equilibrio o “capacidad de infiltración del suelo”

t = tiempo en horas

k = Constante que representa la tasa de decrecimiento de esa capacidad.

Figura 1.6. Curva Capacidad de infiltración, f

La variación de la capacidad de infiltración se clasifica en dos categorías:

a) Variaciones en áreas geográficas debidas a las condiciones físicas del

suelo. b) Variaciones a través del tiempo en una superficie limitada:

1) Variaciones anuales debidas a la acción de los animales, deforestación, etcétera.

2) Variaciones anuales debidas a diferencias de grado de humedad del suelo, estado de desarrollo de la vegetación, temperatura, etcétera.

3) Variaciones a lo largo de la misma precipitación.

1.6.- MEDICIÓN Y CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN

La determinación de la infiltración se puede hacer empleando infiltrómetros, lisímetros o parcelas de ensayo, de manera análoga a la medida de la evaporación y de la evapotranspiración desde el suelo. Sin embargo, por las razones expuestas con respecto al inconveniente de estos métodos, es normal hacer determinaciones in situ.

1.6.1.- Infiltrómetros

Estos se usan en pequeñas áreas o cuencas experimentales. Cuando hay gran variación en los suelos o en la vegetación, el área se divide en pequeñas áreas uniformes y en cada una de ellas se realizan mediciones. Los infiltrómetros son de dos tipos: tipo inundación y simuladores de lluvia.

1.6.1.1.- Infiltrómetro tipo inundador

Son generalmente tubos abiertos en sus extremos, de aproximadamente 30 cm de diámetro y 60 cm de longitud, enterrados en la tierra, unos 50 cm. Se les

suministra agua, tratando de mantener el nivel constante y se mide la cantidad de agua necesaria para esto durante varios intervalos de tiempo con lo que se puede

conocer la capacidad de infiltración. Se debe continuar con las medidas hasta que se obtenga una capacidad de infiltración aproximadamente constante. Las desventajas de este tipo de medición son las siguientes: el impacto de las gotas de lluvia en el terreno no es tenido en cuenta, de alguna manera, al enterrar el tubo se alteran las condiciones del suelo y los resultados dependen bastante del tamaño del tubo.

1.6.1.2.- Infiltrómetro de cilindros concéntricos (método de Muntz)

El aparato que se usa es muy sencillo, es el infiltrómetro. El más común consiste en un cilindro de 15 cm de largo y fijo, aproximadamente de 20 cm; se pone en él una determinada cantidad de agua y se observa el tiempo que tarda en infiltrarse. A este aparato se le atribuyen algunos defectos: el agua se infiltra por el círculo que constituye el fondo, pero como alrededor de él no se está infiltrando agua, las zonas del suelo a los lados del aparato participan también en la infiltración, por lo tanto, da medidas superiores a la realidad.

El error apuntado se corrige colocando otro tubo de mayor diámetro (40 cm) alrededor del primero, consitituye una especie de corona protectora. En éste también se pone agua aproximadamente al mismo nivel, aunque no se necesita tanta precisión como en el del interior; con ello se evita que el agua que interesa medir se pueda expander (Figura 1.7).

La medición es menor que la que se hubiera obtenido antes y más concordante con la capacidad real del suelo.

La construcción de la curva de capacidad de infiltración se realiza llevando a las

ordenadas los valores calculados de la velocidad de infiltración (mm/hr) y en el

eje de las abscisas los tiempos acumulados, en horas o minutos.