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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA
   FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS AGRARIAS




       CÁTEDRA DE HIDROLOGÍA AGRÍCOLA
                    APUNTES DE INFILTRACIÓN




Ing. Víctor NEGRO
Marzo de 1998.
INFILTRACIÓN :
Se denomina infiltración al pasaje del agua al suelo, a través de la superficie del
mismo, antes de que se alcancen condiciones de saturación.
      Inicialmente la infiltración depende de la Succión, que a su vez depende del
contenido de humedad del suelo, mientras que el potencial de gravedad apenas
influye. Esto explica que al comenzar el proceso de infiltración el valor de
infiltración es alto, decreciendo más tarde cuando aumenta el contenido de humedad
hasta alcanzar un valor casi constante. Por ello en suelos secos el agua se
infiltra más rápidamente que en suelos húmedos.
      Al comienzo el proceso de entrada de agua en el suelo sigue condiciones de
régimen variable, ya que el contenido de humedad y por tanto la succión varían. A
medida que el proceso continúa, el gradiente de succión en la parte alta del perfil
decrece (sigue siendo máximo en el frente de humectación), hasta llegar a ser
despreciable, por lo que la gravedad es la única fuerza que permite el movimiento
de agua en la parte más superficial del perfil. Cuando el gradiente llega a ser la
unidad (potencial mátrico =0) la infiltración tiende a ser constante e igualar a la
conductividad hidráulica vertical (k), que es el factor limitante del proceso. Por
tanto, el valor de infiltración depende no solamente del contenido de humedad sino
del valor de k.
      Una vez que el proceso de infiltración ha comenzado, se inicia la
redistribución de la humedad en el perfil del suelo.
      Según el modelo de Bodman y Colman (1943) pueden distinguirse las siguientes
zonas en un perfil de un suelo regado o después de una precipitación intensa.:

     Zona de saturación.
     Zona de transición.
     Zona de transmisión de humedad.
     Zona de humectación.
     Frente húmedo.
     Suelo inicialmente seco.

                                       La zona de saturación corresponde a unos
                                pocos cm superficiales. Por debajo hay una zona de
                                transmisión de humedad, cuyo contenido es
                                aproximadamente constante y por encima de capacidad
                                de campo. En la parte inferior de esta zona la
                                humedad decrece fundamentalmente en la llamada zona
                                de humectación. El gradiente de humedad es mayor en
                                el frente húmedo, que limita el suelo seco del
                                suelo húmedo.
                                      Después del riego o precipitación, la capa
                                del suelo superficial, humedecida casi a saturación
                                durante la infiltración, pierde agua hacia capas
                                más profundas por efecto de la gravedad y del
                                gradiente de succión. La zona no saturada del suelo
                                almacena humedad hasta un contenido próximo a la
                                llamada capacidad de campo, percolando el
                                excedente. Este proceso se llama drenaje interno
                                del suelo, si existe capa freática próxima a la
zona radicular. En este caso el agua de percolación recarga la capa freática que se
eleva por acción de esta recarga.
      El proceso de redistribución que es contínuo decrece constantemente con el
tiempo, alcanzándose a largo plazo un equilibrio.

Además   en la infiltración influyen las condiciones de :
     •   Estructura de la superficie del suelo (laboreo).
     •   Estratificación del suelo.
     •   Aguas o suelos alcalinos o yesosos.
     •   Materia orgánica.
     •   Temperatura del agua o suelo (viscosidad, tensión superficial).

                                         2
De todo lo analizado hasta aquí, se deduce la complejidad del proceso de
Infiltración ; debido a tantas variables que entran en juego.

FÓRMULAS DE LA INFILTRACIÓN :
Existen varias fórmulas que pretenden expresan matemáticamente el fenómeno de
infiltración. Entre esta una racional de Philips, que presenta el inconveniente de
ser solo aplicable en casos especiales, no siendo muy práctica. Se ha generalizado,
para salvar este inconveniente, la utilización de ecuaciones empíricas cuyos
parámetros se deducen en base a datos experimentales.

Una de ellas es la denominada fórmula de KOSTIAKOV (1932, Rusia), la cual expresa :


  L = b⋅ Tm       L= lámina de agua total infiltrada en el tiempo T o infiltración
                  acumulada.
      (1)         T= tiempo que permanece el agua sobre el suelo.
                  b y m = son constantes, las cuales tratan de interpretar dentro
          ƒ
     Inf =ƒ(T)    de los límites de uso de la ecuación todas las variables que
                  afectan al proceso. La ecuación de Kostiakov ajusta los datos
experimentales bastante bien, particularmente para períodos de tiempo relativamente
cortos. Esta ecuación puede ser usada en trabajos de riego debido a su simplicidad
y por que ajusta razonablemente bien a períodos de tiempo que no excedan unas pocas
horas, que es lo que se necesita para riego.

El parámetro b nos da una idea del contenido de humedad al iniciarse el proceso, y
el parámetro m nos da idea del ritmo de la infiltración, generalmente su valor está
entre 0 y 1.

      Si la ecuación (1) la derivamos con respecto al tiempo, obtendremos la
expresión correspondiente a la Velocidad de Infiltración (I) ó Infiltración
Instantánea (Ii).

     I= m.b.Tm-1     [cm/min ó mm/min]

     I= 60.m.b.Tm-1 [cm/hora ó mm/hora] , según con que unidad se toma la
lectura de Lámina y Tiempo.

     Para simplificar podemos tomar :

     B = 60.m.b
    -n = m-1

teniendo :
     I = B.T-n       [cm ó mm/hora].


Límite de uso :
      No se pueden tomar tiempos mayores a 24 horas (en riego nunca ocurre), se
invalida esta ecuación al llegar a condiciones de saturación. Esto se debe a su
carácter netamente empírico.

DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS b Y m :
La determinación de los parámetros necesariamente se basa en el análisis de los
datos de un ensayo a campo de infiltración.
Veremos a continuación que tipo de ensayo se puede realizar a campo :
      Primero debemos aclarar que para cada sistema de riego (distinto), se
necesitará un tipo de ensayo, también distinto. Así para riego por surcos o
amelgas, un ensayo en una porción de surcos o melgas tipo. Para aspersión
reproducir lo mejor posible el efecto del golpeteo de las gotas sobre el suelo
(simulador de lluvia), este efecto produce como consecuencia una disminución de los
valores de infiltración en comparación con los registrados con equipos que no

                                         3
simulen el efecto del golpeteo de las gotas. Por último para riego por inundación,
el que mejor representa las condiciones, es el infiltrómetro de dobles anillos.
      Como se comprenderá estos distintos tipos tratan de representar, de la manera
más cercana posible a la realidad, cada uno de los distintos sistemas de riego.
      Muchas veces el técnico choca en la práctica con hechos tan concretos como el
de no poder contar con una parcela nivelada y con el trazado de surcos o melgas
tipo ; menos aún con un simulador de lluvia. Por eso que se recurre muchas veces a
un infiltrómetro de doble anillos.

MÉTODO DEL INFILTRÓMETRO DE DOBLE ANILLO :
Se basa en la medición de una lámina de agua que se infiltra en un tiempo
determinado. La medición de dicha lámina se hace en uno de los anillos que posee
una escala (o midiendo volúmenes incorporados).

      “Tanto en este método como en el de surcos de ensayo es necesario contar, en
el suelo, con un contenido de humedad tal que sea similar al Umbral de Riego que se
determinó previamente”.

      Los anillos están estandarizados (para riego) en diámetro y alto. El externo
es de 50 cm y el interno de 30 cm. La altura de ambos es de 30 cm. Los dos deben
ser introducidos en el suelo unos 10 cm aproximadamente.


                                                          El uso del cilindro exterior
                                                    tiene la finalidad de actuar como
                30 cm                               Buffer, o sea amortiguar el efecto
                                                    producido por el agua del cilindro
                                                    interior en contacto con el suelo seco,
                                          30 cm     obteniéndose así una infiltración cuasi
                                                    vertical.
                                                          Ambos cilindros se llenan con una
                                                    altura de agua similar a la calculada
                                                    para la dosis de riego (lámina de
                                                    riego). Manteniéndose esa carga
                                                    prácticamente constante volviendo a
                                                    rellenar cuando se produzca una
                50 cm                               disminución de aproximadamente 20 mm
                                                    (minimizar los efectos de la variación
                                                    de la carga de agua en el valor de
                                                    infiltración).
   Infiltrómetro de Doble Anillo



      En la planilla tipo se anotan las láminas parciales infiltradas (lecturas) y
tiempos, como así también los valores de enrase al valor constante de lámina.

            Lectura     Relleno   a   Lámina        Tiempo       Ii     Lam acum.   Tiempo
   Hora   desde cero      cero        parcial       Parcial   (cm/hr)      (cm)     acum.
             (cm)                      (cm)          (min)                          (min.)

      El ensayo se deberá proseguir hasta constatar constancia de la velocidad de
infiltración (esto dependerá del tipo del suelo).


ANÁLISIS DE LOS DATOS :
Si representáramos los valores obtenidos nos encontraríamos con dos curvas
distintas.




                                                4
Ii




      Ambas responden a una función que se asemeja bastante a una exponencial (de
allí surge la ecuación de Kostiakov).
      Para obtener los parámetros b y m se procede a aplicar función logarítmica

(decimal o natural) a la ecuación :     L = b⋅ Tm
tenemos :   log L = log b + m ⋅ log T
      Con esto hemos transformado la ecuación exponencial en la de una recta, cuya
ordenada al origen es log b (ó ln b), es decir cuando logT=0 (T=1) y cuya pendiente
es m.

      Ahora bien, nosotros solamente tenemos puntos obtenidos del ensayo, por eso
debemos antes ajustar esos puntos a una recta de regresión (Mínimos Cuadrados).

      En el formulario tipo se encuentran las columnas correspondientes al cálculo
de mínimos cuadrados (M.C.).

Observaciones :


              Tener en cuenta que la ecuación de Kostiakov es empírica y por lo
        tanto se deben respetar las unidades de cada variable L y T ya que al
        variar estas se obtendrán distintos b y m, no siendo homogéneos al
        compararlos con valores de otros ensayos.


              Hacer varias repeticiones en lugares estratégicos del ensayo (ya que
        el método de anillos dobles es netamente puntual) y luego promediar los
        valores (para cada T promediar los distintos valores de L).

MÉTODO DEL SURCO (O MELGAS) DE ENSAYO :
      Para representar más fielmente la infiltración lateral que se produce en un
riego por surcos (o el movimiento de la lámina de agua sobre el suelo en melgas),
se justifica este método.

      Se dispone para el ensayo de 4 surcos (dos centrales para el ensayo y dos
distales para el efecto buffer).

                                          5
Se hace circular por los dos surcos centrales el caudal de riego previa
instalación de aforadores a la entrada (Qe : caudal de entrada) y a la salida (Qs :
caudal de salida).
      Con los datos de aforo y tiempo medido se confeccionan planillas “ad-hoc”
para cada surco de ensayo. La duración del ensayo es hasta que se constate que Qs
sea aproximadamente constante. En las misma figurará : Tiempo(min), Qe (L/min),
Qs(L/min) y Q infiltrado (Qe-Qs) (l/min).

                              Tiempo            Qe            Qs        Qi       Tiempo
                Hora          parcial         (l/min)       (l/min)   (l/min)    acum.
                               (min)                                             (min)

      Para iguales valores de tiempo se promedian los valores de Qi surco (1) y Qi
surco (2), obteniéndose un Qi promedio.

                Tiempo    Qi surco 1          Qi surco          Qi          Ii
               parcial      (l/min)               2          promedio
                (min)                          (l/min)        (l/min)    (mm/hr)

      Ahora debemos transformar el Qi en valor de velocidad de infiltración I. Para
ello se deberá tener en cuenta en que área se ha infiltrado ese caudal.
      Área = Largo del surco de ensayo x separación entre bordos [m2]

Luego Vel. De Infiltración será :

     I (mm/min)= Qi(l/min)
                     A(m2)
ó
     I (mm/hr) = Qi(l/min) x 60 min/hora
                          A(m2)
      Con los datos obtenidos y aplicando función logarítmica y M.C. ; podemos
reconstruir la ecuación matemática que representa la marcha de la Infiltración para
ese suelo :

     I (mm/min) = b.m.Tm-1
ó
                                        m-1
     I (mm/hr) = 60.b.m.T                      = B . T-n
      Tanto gráfica como matemáticamente, se obtienen los parámetros b y n en forma
indirecta(b.m para T=1 y la pendiente negativa de la recta que es m-1). Habrá que
proceder matemáticamente para despejar algún factor en base al otro ya conocido.

UTILIDAD PRÁCTICA DE CONOCER LA ECUACIÓN DE INFILTRACIÓN :
Podemos resumirla de la siguiente manera : a partir de un ensayo en el cual
obtenemos valores puntuales, transformamos estos en una expresión matemática
continua. Esto nos permite calcular para cualquier valor de lámina de riego, para
ese suelo, el tiempo que le correspondería en infiltrarse. Este tiempo es un
parámetro de diseño importante en las distintas técnicas de riego.

Partiendo de L= b. Tm
            Ti= (L/b)1/m
Si en cambio partimos de :
     Ii = B.Tm-1
          60           mm/min
deberemos integrar esta ecuación para así obtener la lámina total infiltrada
                                      ( m −1)+1
                              1         B ⋅T
                         L=      Idt =
(Lámina acumulada).
                              60       (m − 1) + 1⋅ 60
                                                        6
1
                            m ⋅ 60 ⋅ L      m
despejando T           Ti =                     ( min)
                                B
      Otra utilidad que podemos darle a esta ecuación es la de obtener el valor de
Velocidad final de infiltración, también llamada Infiltración básica. Se define
como Infiltración básica a aquel valor que asume la velocidad de infiltración, que
resulta en el tiempo casi constante. Se puede decir que se logra este valor cuando
en el gráfico Ii vs. T, se alcanza la pendiente (valor -n) igual a -0,1, que
corresponde a un ángulo de 174º 17´ aproximadamente.

      ó sea   dIi = -0,1 = Ib
                dT

                                                 dIi
derivando con respecto al tiempo :                   = 60 ⋅ m ⋅ ( m − 1) ⋅ b ⋅ T m − 2 = − 0,1
                                                 dT
Si Tb es el tiempo en el cual se alcanza ese valor de pendiente,
                                  1
                     − 0,1
                                                  Ib = B ⋅ Tbm−1
                                 m− 2
despejamos : Tb =                       e
                  B ⋅ ( m − 1)

      Este valor de Ib puede servir para calcular caudales de reposición de riego
por inundación. También sirve como valor de diseño en aspersión, haciendo que la
precipitación del aspersor sea como máximo igual al valor de Ib.

      precipitación en aspersor ≤ Ib suelo
      luego Tr = Lámina
                  Ib        (tiempo de riego en aspersión).

      Resumiendo podríamos decir que, una vez obtenida la expresión matemática de
la infiltración y sabiendo con que valor de lámina se quiere regar, calculamos su
correspondiente valor de Ti (tiempo de infiltración) tanto sea para surcos, amelgas
o aspersión. Después calculamos un valor promedio de velocidad de infiltración como
tercer elemento de cálculo.

      Ip= Lámina
           Ti




                                                         7
Ensayo de Infiltración :         Ubicación Santa Catalina

             Lectura    Relleno a     Lámina        Tiempo      Ii      Lam acum.   Tiempo
   Hora    desde cero     cero        parcial       Parcial                (cm)     acum.
              (cm)                     (cm)          (min)    (cm/hr)               (min.)
  10.20´        0                        0             0                   0          0
  10.25´       2,3         2,3          2,3           5´       27,6       2,3         5
  10.25´        0
  10.30´       1,1                      1,1           5´       13,2       3,4        10
  10.35´       2,4         2,4          1,3           5´       15,6       4,7        15
  10.35´        0
  10.45´       1,6                      1,6           10´       9,6       6,3        25
  10,48´       2,2         2,2          0,6           3´         12       6,9        28
  10.55´       1,2                      1,2           7´       10,3       8,1        35
  11.00´       2,0         2,2          0,8            5        9,6       8,9        40
  11.00´        0
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  11.15´       2,0         2,0          0,6           5´       9,6        10,9       55
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  11.25´       1,3                      1,3           10´      7,8        12,2       65´
  11.30´       2,0         2,0          0,7           5´       8,4        12,9       70´
  11.30´        0
  11.45´       2,0         2,0          2,0           15´       8         14,9       85´
  11.45´        0
  11.55´       1,4                      1,4           10       8,4        16,3       95´




                                                8
Ensayo de Infiltración             : Planilla para la elaboración de los datos


Fecha:                                        Suelo:             Profund.:
Lote:                                         Cultivo:
Propietario:                                  Estado del Suelo:
Zona:                                         Humedad del suelo:


   Hora     Lectura    Relleno a     Lámina        Tiempo        Ii       Lam    Tiempo
          desde cero     cero      parcial        Parcial   (cm/hr)    acum.    acum.
             (cm)                   (cm)           (min)                (cm)    (min.)




                                              9
ENSAYO DE INFILTRACIÓN:

Fecha:                                                Suelo:             Profund.:
Lote:                                                 Cultivo:
Propietario:                                          Estado del Suelo:
Zona:                                                 Humedad del suelo:

Planilla para ajustar por Mínimos Cuadrados (M.C.)
 Hora     Tiempo   Lectura      Enrase    Lámina    X = log T    Y = log Lám   X2 = log2 T      X.Y =
          (min)     (mm)         (mm)      (mm)                                              logT.logLám




                                          Sumas



   ΣY ⋅ ΣX 2 − ΣX ⋅ Σ( X ⋅ Y )
a=                             =                                          =
      n ⋅ ΣX 2 − ΣX ⋅ ΣX
        n ⋅ Σ( X ⋅ Y ) − Σ( X ⋅ Y )
m=                                  =                                     =
          n ⋅ Σ X 2 − Σ X ⋅ ΣX

b = antilog a =                                      Lám (mm)= b.Tm =


B = 60 . b . m =                                   Ii (mm/h) = B.Tm-1 =



                          1
             − 0,1       m− 2
Tb =                             =                              Ib = B ⋅ Tb m−1 =
          B ⋅ (m − 1)
                                                      10
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Infiltración

  • 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS AGRARIAS CÁTEDRA DE HIDROLOGÍA AGRÍCOLA APUNTES DE INFILTRACIÓN Ing. Víctor NEGRO Marzo de 1998.
  • 2. INFILTRACIÓN : Se denomina infiltración al pasaje del agua al suelo, a través de la superficie del mismo, antes de que se alcancen condiciones de saturación. Inicialmente la infiltración depende de la Succión, que a su vez depende del contenido de humedad del suelo, mientras que el potencial de gravedad apenas influye. Esto explica que al comenzar el proceso de infiltración el valor de infiltración es alto, decreciendo más tarde cuando aumenta el contenido de humedad hasta alcanzar un valor casi constante. Por ello en suelos secos el agua se infiltra más rápidamente que en suelos húmedos. Al comienzo el proceso de entrada de agua en el suelo sigue condiciones de régimen variable, ya que el contenido de humedad y por tanto la succión varían. A medida que el proceso continúa, el gradiente de succión en la parte alta del perfil decrece (sigue siendo máximo en el frente de humectación), hasta llegar a ser despreciable, por lo que la gravedad es la única fuerza que permite el movimiento de agua en la parte más superficial del perfil. Cuando el gradiente llega a ser la unidad (potencial mátrico =0) la infiltración tiende a ser constante e igualar a la conductividad hidráulica vertical (k), que es el factor limitante del proceso. Por tanto, el valor de infiltración depende no solamente del contenido de humedad sino del valor de k. Una vez que el proceso de infiltración ha comenzado, se inicia la redistribución de la humedad en el perfil del suelo. Según el modelo de Bodman y Colman (1943) pueden distinguirse las siguientes zonas en un perfil de un suelo regado o después de una precipitación intensa.: Zona de saturación. Zona de transición. Zona de transmisión de humedad. Zona de humectación. Frente húmedo. Suelo inicialmente seco. La zona de saturación corresponde a unos pocos cm superficiales. Por debajo hay una zona de transmisión de humedad, cuyo contenido es aproximadamente constante y por encima de capacidad de campo. En la parte inferior de esta zona la humedad decrece fundamentalmente en la llamada zona de humectación. El gradiente de humedad es mayor en el frente húmedo, que limita el suelo seco del suelo húmedo. Después del riego o precipitación, la capa del suelo superficial, humedecida casi a saturación durante la infiltración, pierde agua hacia capas más profundas por efecto de la gravedad y del gradiente de succión. La zona no saturada del suelo almacena humedad hasta un contenido próximo a la llamada capacidad de campo, percolando el excedente. Este proceso se llama drenaje interno del suelo, si existe capa freática próxima a la zona radicular. En este caso el agua de percolación recarga la capa freática que se eleva por acción de esta recarga. El proceso de redistribución que es contínuo decrece constantemente con el tiempo, alcanzándose a largo plazo un equilibrio. Además en la infiltración influyen las condiciones de : • Estructura de la superficie del suelo (laboreo). • Estratificación del suelo. • Aguas o suelos alcalinos o yesosos. • Materia orgánica. • Temperatura del agua o suelo (viscosidad, tensión superficial). 2
  • 3. De todo lo analizado hasta aquí, se deduce la complejidad del proceso de Infiltración ; debido a tantas variables que entran en juego. FÓRMULAS DE LA INFILTRACIÓN : Existen varias fórmulas que pretenden expresan matemáticamente el fenómeno de infiltración. Entre esta una racional de Philips, que presenta el inconveniente de ser solo aplicable en casos especiales, no siendo muy práctica. Se ha generalizado, para salvar este inconveniente, la utilización de ecuaciones empíricas cuyos parámetros se deducen en base a datos experimentales. Una de ellas es la denominada fórmula de KOSTIAKOV (1932, Rusia), la cual expresa : L = b⋅ Tm L= lámina de agua total infiltrada en el tiempo T o infiltración acumulada. (1) T= tiempo que permanece el agua sobre el suelo. b y m = son constantes, las cuales tratan de interpretar dentro ƒ Inf =ƒ(T) de los límites de uso de la ecuación todas las variables que afectan al proceso. La ecuación de Kostiakov ajusta los datos experimentales bastante bien, particularmente para períodos de tiempo relativamente cortos. Esta ecuación puede ser usada en trabajos de riego debido a su simplicidad y por que ajusta razonablemente bien a períodos de tiempo que no excedan unas pocas horas, que es lo que se necesita para riego. El parámetro b nos da una idea del contenido de humedad al iniciarse el proceso, y el parámetro m nos da idea del ritmo de la infiltración, generalmente su valor está entre 0 y 1. Si la ecuación (1) la derivamos con respecto al tiempo, obtendremos la expresión correspondiente a la Velocidad de Infiltración (I) ó Infiltración Instantánea (Ii). I= m.b.Tm-1 [cm/min ó mm/min] I= 60.m.b.Tm-1 [cm/hora ó mm/hora] , según con que unidad se toma la lectura de Lámina y Tiempo. Para simplificar podemos tomar : B = 60.m.b -n = m-1 teniendo : I = B.T-n [cm ó mm/hora]. Límite de uso : No se pueden tomar tiempos mayores a 24 horas (en riego nunca ocurre), se invalida esta ecuación al llegar a condiciones de saturación. Esto se debe a su carácter netamente empírico. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS b Y m : La determinación de los parámetros necesariamente se basa en el análisis de los datos de un ensayo a campo de infiltración. Veremos a continuación que tipo de ensayo se puede realizar a campo : Primero debemos aclarar que para cada sistema de riego (distinto), se necesitará un tipo de ensayo, también distinto. Así para riego por surcos o amelgas, un ensayo en una porción de surcos o melgas tipo. Para aspersión reproducir lo mejor posible el efecto del golpeteo de las gotas sobre el suelo (simulador de lluvia), este efecto produce como consecuencia una disminución de los valores de infiltración en comparación con los registrados con equipos que no 3
  • 4. simulen el efecto del golpeteo de las gotas. Por último para riego por inundación, el que mejor representa las condiciones, es el infiltrómetro de dobles anillos. Como se comprenderá estos distintos tipos tratan de representar, de la manera más cercana posible a la realidad, cada uno de los distintos sistemas de riego. Muchas veces el técnico choca en la práctica con hechos tan concretos como el de no poder contar con una parcela nivelada y con el trazado de surcos o melgas tipo ; menos aún con un simulador de lluvia. Por eso que se recurre muchas veces a un infiltrómetro de doble anillos. MÉTODO DEL INFILTRÓMETRO DE DOBLE ANILLO : Se basa en la medición de una lámina de agua que se infiltra en un tiempo determinado. La medición de dicha lámina se hace en uno de los anillos que posee una escala (o midiendo volúmenes incorporados). “Tanto en este método como en el de surcos de ensayo es necesario contar, en el suelo, con un contenido de humedad tal que sea similar al Umbral de Riego que se determinó previamente”. Los anillos están estandarizados (para riego) en diámetro y alto. El externo es de 50 cm y el interno de 30 cm. La altura de ambos es de 30 cm. Los dos deben ser introducidos en el suelo unos 10 cm aproximadamente. El uso del cilindro exterior tiene la finalidad de actuar como 30 cm Buffer, o sea amortiguar el efecto producido por el agua del cilindro interior en contacto con el suelo seco, 30 cm obteniéndose así una infiltración cuasi vertical. Ambos cilindros se llenan con una altura de agua similar a la calculada para la dosis de riego (lámina de riego). Manteniéndose esa carga prácticamente constante volviendo a rellenar cuando se produzca una 50 cm disminución de aproximadamente 20 mm (minimizar los efectos de la variación de la carga de agua en el valor de infiltración). Infiltrómetro de Doble Anillo En la planilla tipo se anotan las láminas parciales infiltradas (lecturas) y tiempos, como así también los valores de enrase al valor constante de lámina. Lectura Relleno a Lámina Tiempo Ii Lam acum. Tiempo Hora desde cero cero parcial Parcial (cm/hr) (cm) acum. (cm) (cm) (min) (min.) El ensayo se deberá proseguir hasta constatar constancia de la velocidad de infiltración (esto dependerá del tipo del suelo). ANÁLISIS DE LOS DATOS : Si representáramos los valores obtenidos nos encontraríamos con dos curvas distintas. 4
  • 5. Ii Ambas responden a una función que se asemeja bastante a una exponencial (de allí surge la ecuación de Kostiakov). Para obtener los parámetros b y m se procede a aplicar función logarítmica (decimal o natural) a la ecuación : L = b⋅ Tm tenemos : log L = log b + m ⋅ log T Con esto hemos transformado la ecuación exponencial en la de una recta, cuya ordenada al origen es log b (ó ln b), es decir cuando logT=0 (T=1) y cuya pendiente es m. Ahora bien, nosotros solamente tenemos puntos obtenidos del ensayo, por eso debemos antes ajustar esos puntos a una recta de regresión (Mínimos Cuadrados). En el formulario tipo se encuentran las columnas correspondientes al cálculo de mínimos cuadrados (M.C.). Observaciones : Tener en cuenta que la ecuación de Kostiakov es empírica y por lo tanto se deben respetar las unidades de cada variable L y T ya que al variar estas se obtendrán distintos b y m, no siendo homogéneos al compararlos con valores de otros ensayos. Hacer varias repeticiones en lugares estratégicos del ensayo (ya que el método de anillos dobles es netamente puntual) y luego promediar los valores (para cada T promediar los distintos valores de L). MÉTODO DEL SURCO (O MELGAS) DE ENSAYO : Para representar más fielmente la infiltración lateral que se produce en un riego por surcos (o el movimiento de la lámina de agua sobre el suelo en melgas), se justifica este método. Se dispone para el ensayo de 4 surcos (dos centrales para el ensayo y dos distales para el efecto buffer). 5
  • 6. Se hace circular por los dos surcos centrales el caudal de riego previa instalación de aforadores a la entrada (Qe : caudal de entrada) y a la salida (Qs : caudal de salida). Con los datos de aforo y tiempo medido se confeccionan planillas “ad-hoc” para cada surco de ensayo. La duración del ensayo es hasta que se constate que Qs sea aproximadamente constante. En las misma figurará : Tiempo(min), Qe (L/min), Qs(L/min) y Q infiltrado (Qe-Qs) (l/min). Tiempo Qe Qs Qi Tiempo Hora parcial (l/min) (l/min) (l/min) acum. (min) (min) Para iguales valores de tiempo se promedian los valores de Qi surco (1) y Qi surco (2), obteniéndose un Qi promedio. Tiempo Qi surco 1 Qi surco Qi Ii parcial (l/min) 2 promedio (min) (l/min) (l/min) (mm/hr) Ahora debemos transformar el Qi en valor de velocidad de infiltración I. Para ello se deberá tener en cuenta en que área se ha infiltrado ese caudal. Área = Largo del surco de ensayo x separación entre bordos [m2] Luego Vel. De Infiltración será : I (mm/min)= Qi(l/min) A(m2) ó I (mm/hr) = Qi(l/min) x 60 min/hora A(m2) Con los datos obtenidos y aplicando función logarítmica y M.C. ; podemos reconstruir la ecuación matemática que representa la marcha de la Infiltración para ese suelo : I (mm/min) = b.m.Tm-1 ó m-1 I (mm/hr) = 60.b.m.T = B . T-n Tanto gráfica como matemáticamente, se obtienen los parámetros b y n en forma indirecta(b.m para T=1 y la pendiente negativa de la recta que es m-1). Habrá que proceder matemáticamente para despejar algún factor en base al otro ya conocido. UTILIDAD PRÁCTICA DE CONOCER LA ECUACIÓN DE INFILTRACIÓN : Podemos resumirla de la siguiente manera : a partir de un ensayo en el cual obtenemos valores puntuales, transformamos estos en una expresión matemática continua. Esto nos permite calcular para cualquier valor de lámina de riego, para ese suelo, el tiempo que le correspondería en infiltrarse. Este tiempo es un parámetro de diseño importante en las distintas técnicas de riego. Partiendo de L= b. Tm Ti= (L/b)1/m Si en cambio partimos de : Ii = B.Tm-1 60 mm/min deberemos integrar esta ecuación para así obtener la lámina total infiltrada ( m −1)+1 1 B ⋅T L= Idt = (Lámina acumulada). 60 (m − 1) + 1⋅ 60 6
  • 7. 1 m ⋅ 60 ⋅ L m despejando T Ti = ( min) B Otra utilidad que podemos darle a esta ecuación es la de obtener el valor de Velocidad final de infiltración, también llamada Infiltración básica. Se define como Infiltración básica a aquel valor que asume la velocidad de infiltración, que resulta en el tiempo casi constante. Se puede decir que se logra este valor cuando en el gráfico Ii vs. T, se alcanza la pendiente (valor -n) igual a -0,1, que corresponde a un ángulo de 174º 17´ aproximadamente. ó sea dIi = -0,1 = Ib dT dIi derivando con respecto al tiempo : = 60 ⋅ m ⋅ ( m − 1) ⋅ b ⋅ T m − 2 = − 0,1 dT Si Tb es el tiempo en el cual se alcanza ese valor de pendiente, 1 − 0,1 Ib = B ⋅ Tbm−1 m− 2 despejamos : Tb = e B ⋅ ( m − 1) Este valor de Ib puede servir para calcular caudales de reposición de riego por inundación. También sirve como valor de diseño en aspersión, haciendo que la precipitación del aspersor sea como máximo igual al valor de Ib. precipitación en aspersor ≤ Ib suelo luego Tr = Lámina Ib (tiempo de riego en aspersión). Resumiendo podríamos decir que, una vez obtenida la expresión matemática de la infiltración y sabiendo con que valor de lámina se quiere regar, calculamos su correspondiente valor de Ti (tiempo de infiltración) tanto sea para surcos, amelgas o aspersión. Después calculamos un valor promedio de velocidad de infiltración como tercer elemento de cálculo. Ip= Lámina Ti 7
  • 8. Ensayo de Infiltración : Ubicación Santa Catalina Lectura Relleno a Lámina Tiempo Ii Lam acum. Tiempo Hora desde cero cero parcial Parcial (cm) acum. (cm) (cm) (min) (cm/hr) (min.) 10.20´ 0 0 0 0 0 10.25´ 2,3 2,3 2,3 5´ 27,6 2,3 5 10.25´ 0 10.30´ 1,1 1,1 5´ 13,2 3,4 10 10.35´ 2,4 2,4 1,3 5´ 15,6 4,7 15 10.35´ 0 10.45´ 1,6 1,6 10´ 9,6 6,3 25 10,48´ 2,2 2,2 0,6 3´ 12 6,9 28 10.55´ 1,2 1,2 7´ 10,3 8,1 35 11.00´ 2,0 2,2 0,8 5 9,6 8,9 40 11.00´ 0 11,10´ 1,4 1,4 10´ 8,4 10,3 50 11.15´ 2,0 2,0 0,6 5´ 9,6 10,9 55 11.15´ 0 11.25´ 1,3 1,3 10´ 7,8 12,2 65´ 11.30´ 2,0 2,0 0,7 5´ 8,4 12,9 70´ 11.30´ 0 11.45´ 2,0 2,0 2,0 15´ 8 14,9 85´ 11.45´ 0 11.55´ 1,4 1,4 10 8,4 16,3 95´ 8
  • 9. Ensayo de Infiltración : Planilla para la elaboración de los datos Fecha: Suelo: Profund.: Lote: Cultivo: Propietario: Estado del Suelo: Zona: Humedad del suelo: Hora Lectura Relleno a Lámina Tiempo Ii Lam Tiempo desde cero cero parcial Parcial (cm/hr) acum. acum. (cm) (cm) (min) (cm) (min.) 9
  • 10. ENSAYO DE INFILTRACIÓN: Fecha: Suelo: Profund.: Lote: Cultivo: Propietario: Estado del Suelo: Zona: Humedad del suelo: Planilla para ajustar por Mínimos Cuadrados (M.C.) Hora Tiempo Lectura Enrase Lámina X = log T Y = log Lám X2 = log2 T X.Y = (min) (mm) (mm) (mm) logT.logLám Sumas ΣY ⋅ ΣX 2 − ΣX ⋅ Σ( X ⋅ Y ) a= = = n ⋅ ΣX 2 − ΣX ⋅ ΣX n ⋅ Σ( X ⋅ Y ) − Σ( X ⋅ Y ) m= = = n ⋅ Σ X 2 − Σ X ⋅ ΣX b = antilog a = Lám (mm)= b.Tm = B = 60 . b . m = Ii (mm/h) = B.Tm-1 = 1 − 0,1 m− 2 Tb = = Ib = B ⋅ Tb m−1 = B ⋅ (m − 1) 10
  • 11. 11