Infiltración y Escorrentía
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El documento describe los procesos de infiltración y escorrentía del agua en el suelo. Explica que la infiltración es el paso del agua a través de la superficie del suelo hacia el perfil del suelo y juega un papel importante en el crecimiento de las plantas, el suministro de aguas subterráneas y el control de la escorrentía y la erosión. También presenta diferentes métodos para estimar las tasas de infiltración como las ecuaciones de Horton, Philip y Green-Ampt.
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- 1. Infiltración y Escorrentía James McPhee Departamento de Ingeniería Civil Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Universidad de Chile
- 2. Precipitación totalPrecipitación total Abstracción Inicial + Evapotranspiración InfiltraciónInfiltración Precipitación en Exceso Precipitación en Exceso Escorrentía Superficial Escorrentía Superficial Escorrentía Subsuperficial Escorrentía Subsuperficial Percolación Profunda Percolación Profunda
- 3. Percolación Profunda Percolación Profunda Escorrentía Subsuperficial Escorrentía Subsuperficial Escorrentía Superficial Escorrentía Superficial Escorrentía Subterránea Escorrentía Subterránea Flujo Intermedio Rápido Flujo Intermedio Rápido Flujo Intermedio Lento Flujo Intermedio Lento Flujo baseFlujo base Escorrentía Directa Escorrentía Directa Escorrentía Total
- 4. Infiltración • Definición: el paso de agua, a través de la superficie del suelo, hacia el perfil de suelo • Necesaria para crecimiento vegetal • Contribuye a suministro de aguas subterráneas • Control de escorrentía y erosión • Control de transporte de sedimentos y contaminantes hacia cuerpos de agua superficial
- 5. Infiltración • Procesos complejos y difíciles de cuantificar • Métodos de estimación – Ecuaciones teóricas basadas en física de los procesos – Ecuaciones empíricas con parámetros con significado físico – Ecuaciones empíricas con parámetros sin significado físico – Medición in situ
- 8. Infiltración: cantidades útiles • Volumen total • Volumen de poros • Porosidad • Contenido de humedad • Grado de saturación Vt=Va+Vw+Vs Vv=Va+Vw n= Vv Vt =1− Vs Vt θv = Vw Vt θv=Sn
- 9. Infiltración: cantidades útiles • Masa total • Contenido gravimétricode agua • Densidad aparente • Densidad aparente seca • Gravedad específica mt=ma+mw+ms θg = mw ms ρb = mt Vt ρseca = ms Vt =ρb 1−n( ) Gs = ρp ρw
- 10. Retención de agua en el suelo • Combinación de fuerzas gravitacionales y tensión superficial • Tensión superficial: Húmedo < 25 mm Húmedo < 25 mm Muy seco > 25 x 106 mm Muy seco > 25 x 106 mm
- 11. Retención de agua en el suelo • En equilibrio, • Poros pequeños se llenan (mojan) antes • Poros grandes se vacían (secan) antes πr1 2 ( )hρw=2πr1( )τcosα Ward & Trimble, Environmental Hydrology (2004)
- 12. Retención de agua en el suelo • Durante mojado, gravedad y tensión actúan en el mismo sentido • Durante secado, gravedad extrae agua desde el poro, mientras que tensión intenta retener agua en éste Ward & Trimble, Environmental Hydrology (2004)
- 13. Retención de agua en el suelo • Capacidad de Campo (FC): grado de saturación al cual no existe flujo gravitacional • Punto de marchitez: contenido de humedad al cual plantas comienzan a marchitarse y no recuperan turgidez si se moja el suelo
- 14. Retención de agua en el suelo Ward & Trimble, Environmental Hydrology (2004)
- 15. Factores Superficie suelo •Uso suelo •Cubierta vegetal •Rugosidad •Encostramiento •Sello Influencias •Procesos mecanicos •Escarcha •Materia orgánica •Compactación •Humedad antecedente •Actividad química •Actividad biológica •Actividad microbiana Condiciones subsuperficiales •Suelo •Grupo hidrológico •Textura •Porosidad •Profundidad •Estructura de capas •Variabilidad espacial •Estructura •Sistema de raíces •Prof. Nivel freatico •Drenaje subsuperficial •Conductividad hidráulica
- 16. Estimación de tasas de infiltración • Ecuación de Horton (1939) + Ecuación simple + Se ajusta bien a datos empíricos + Pocos parámetros - Sin significado físico - Datos de terreno requeridos - Se aplica sólo después de encharcamiento f=fc+f0−fc( )e−βtTasa de infiltr. (L/T) Tasa de infiltr. (L/T)
- 17. Supuestos Horton fo fc corresponde a la solución de la ecuación de Richards para la tasa de difusión de humedad (D(δθ/δz)) en la superficie del suelo, cuando se considera que K y D son constantes independientes de la humedad del suelo.
- 18. Metodo de Philip F(t)= 1/2 St +Kt transformación de Boltzman B(θ) =zt-1/2 Solucion de ecuacion de Richards suponiendo que K y D pueden variar con el contenido de humedad θ. infiltración acumulada F(t): Sorptividad o Adsorción dF/dt f(t) = 1 2 -1/2 St +K
- 19. Philip permeabilidad viscosidad Potencial capilar en el frente de humedad Profundidad de agua sobre el suelo θs=η L Frente húmedo θi f= dF dt = k µ (1+ (θ- iθ)(ψ+H) F )
- 20. • Método de Green-Ampt (1911) – Basado en analogía física con solución analítica exacta – Supone precipitación constante – Se basa en Ley de Darcy
- 21. Green-Ampt (cont.) • La tasa de infiltración, f =K h0+Sw+L( ) L Conductividad hidraulica zona transmision Conductividad hidraulica zona transmision Prof. Frente de mojado Prof. Frente de mojado Prof. Agua encharcada Prof. Agua encharcada Succión efectiva en frente de mojado Succión efectiva en frente de mojado
- 22. • Se define F como la infiltración acumulada • Dado que F=Lη−θi( )=L∆θ Ft()−Sw∆θln1+ Ft() Sw∆θ =Kt f t()=K1+ Sw∆θ Ft()
- 23. Parámetros del modelo de Green-Ampt • Conductividad hidráulica, K • Porosidad, • Potencial de succión en el frente de mojado, • Porosidad efectiva, • Saturación efectiva, • Brooks-Corey (1964): η Sw θe=η−θr se=θ−θrη−θr se=ψb ψ[ ]λ
- 25. Ejemplo: • Calcule la tasa de infiltración f y la infiltración acumulada F después de 1 hr de precip. sobre un suelo limoso de marga que tenía una saturación efectiva inicial del 30%.
- 26. Tiempo de encharcamiento • Los métodos revisados hasta el momento suponen que sobre el suelo existe una lámina de agua que suministra de humedad al suelo • Durante una tormenta, el agua se encharcará sólo si la intensidad de lluvia, i, es mayor que la capacidad de infiltración • Tiempo de encharcamiento (tp): lapso entre comienzo de la lluvia e inicio de apozamiento del agua sobre la superficie del suelo
- 27. Tiempo de encharcamiento • Principios: – Antes de tp toda la lluvia se infiltra – Infiltración potencial, f, es función de infiltración acumulada, F – Encharcamiento ocurre cuando cuando f < i • A partir de Green-Ampt, en t=tp: Fp =i×tp f =i
- 28. i = K Sw∆θ itp +1 tp = KSw∆θ i i − K( ) Supone intensidad i=constante Supone intensidad i=constante
- 29. Después del encharcamiento… • Es decir, primero se infiltra Fp y luego se continúa el análisis como si se tratara de una lluvia de intensidad constante comenzada en tp Ft()−Fp−Sw∆θln Sw∆θ+Ft() Sw∆θ+Fp =Kt−tp( )