Infiltración
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INFILTRACIÓN Introducción Definición Zona no saturada (ZNS) Caja negra Hidráulica (régimen de flujo del agua, conductividad hidráulica, etc). Hidroquímica Investigaciones Estudio de lixiviación Poder depurador Recarga de acuíferos, cálculo de la ET y de eficiencia de riegos, etc Problemática Escala de trabajo Representatividad de los resultados Instrumentación de campo Reproducción en laboratorio Determinaciones analíticas en aguas y suelos Zona edáfica Zona de aireación Zona capilar Zona no saturada Nivel Piezométrico Zona saturada ACUÍFERO 1 0 Humedad - Presión 0 + Prof ZNS Franja capilar ZS Formas de agua en el suelo Agua de retención: agua retenida en los poros o alrededor de las partículas del suelo en contra de la acción de la gravedad • • Agua higroscópica: agua inmóvil que rodea a las partículas del suelo y sólo se desplaza en estado vapor (retención por medio de enlaces químicos entre los dipolos del agua y las valencias libres de los minerales) Agua pelicular: rodeando las partículas del suelo y el agua higroscópica con una pequeña película que no sobrepasa 0.1 micras (retención por fenómenos de tensión superficial) Agua capilar: agua retenida en conductos de pequeño tamaño (microporos) por fenómenos de capilaridad y tensión superficial • • Agua capilar aislada o colgada. Ligada a la ZNS. Eliminar por centrifugación. Agua capilar continua. Ligada a la ZS, así su presencia puede alcanzar varios metros de altura en materiales arcillosos y milímetros en gravosos. Agua gravífica: agua que se desplaza libremente por el suelo bajo efecto de la gravedad 2 Distribución vertical del agua en el suelo Zona no saturada Subzona edáfica o de evapotranspiración Subzona intermedia Subzona capilar Nivel Piezométrico Zona saturada Agua higroscópica, pelicular y capilar aislada Agua higroscópica, pelicular (menor porcentaje) y capilar aislada Todas excepto agua gravífica Aguas subterráneas ACUÍFERO Caracterización de medio físico Textura y estructura del suelo Mineralogía Densidad y porosidad Caracterización hídrica del suelo (humedad) Conductividad hidráulica Curvas características Altura capilar Índice de distribución de tamaño de poros Adsorción radicular Caracterización microbiológica pH, capacidad de cambio iónico, carbono orgánico, etc 3 Caracterización de medio físico Textura y estructura del granulométrica Mineralogía: minerales presentes Densidad y porosidad • • suelo: distribución Aparente (δb): masa de suelo seco por volumen de suelo Mineral (δm): : masa de suelo por volumen de sólidos del suelo Humedad (θ): contenido de agua en el suelo. Sus valores están comprendudos entre 0 para un suelo totalmente seco y un máximo de saturación (G), cuando todos los poros están ocuapdos por agua Grado de saturación: relación entre el volumen de agua y el volumen de agua a saturación Capacidad de campo, estado alcanzado por un suelo saturado después del drenado por gravedad. El contenido de humedad correspondiente a este estado es la capacidad de retención. Va Aire Vw Agua Ma Vf Vt Mw Vs Sólidos Densidad mineral Densidad aparente Porosidad Humedad gravimétrica Humedad volumétrica Mt Ms δm = Ms / Vs δb = Ms / Vt n = Vf /Vt w = Mw / Ms θ = Vw / Vt 4 Medidas de la humedad del suelo Imprescindible para •balances de agua en el suelo •valores experimentales de la tasa de evapotranspiración •cálculo de la recarga •determinación del flujo tanto saturado como no saturado •mecanismos principales de transporte de solutos MÉTODOS 1. Gravimétrico Pesar un volumen dado de muestra y se seca sin tapar en una estufa a 105 ºC durante un mínimo de 24 hora (estufa de convección). Una vez seca, se deja enfriar y se pesa, siendo la diferencia de peso el contenido de humedad (%) Fiable, Inconvenientes: destructivo 2. Sonda de neutrones Basada en la interacción de los neutrones emitidos por la fuente radioactiva y los átomos de hidrógeno del agua intersticial Inconvenientes : Coste, manejo, calibración Medidas de la humedad del suelo MÉTODOS 3. TDR (Time Domain Reflectometry) Medición de la constante dieléctrica del complejo agua-suelo Inconvenientes • variabilidad de lecturas en un mismo punto • error superior a variaciones • validación de la ecuación de Topp para cada suelo • correlación entre las medidas de humedad TDR y gravimétrica Célula Coaxial Sonda TDR de 3 puntas Sondas TDR 5 Status de energía El agua en la ZNS está sometida a una presión menor que la atmosférica, y es la resultante de los denominados •potencial gravitacional (efecto de la gravedad) •potencial matricial (interacciones del agua con la matriz sólida) •potencial osmótico (presencia de solutos en el agua) •potencial de presión del aire •potencial de presión de sobrecarga En la práctica, sólo se suele considerar el potencial de succión (F), incluido en el matricial, y el potencial gravitacional (z), de manera que el potencial total (h) se puede expresar como: h=z-F en donde h está expresado en unidades de longitud por unidad de peso (cm ó m). Si la altura de referencia es asumida como z = 0 en la superficie del suelo: h=F Esta presión se la denomina presión capilar, succión o tensión (F) que se expresa en centímetros de altura de agua y refleja la tendencia del medio no saturado a succionar agua o a repeler aire. Existe un valor (succión critica ψc ) a partir del cual los poros más grandes comienzan a drenarse. ψc = 0.0451 /d10 (1-n/n) d10: diámetro eficaz, tal que sólo el 10% del material tiene diámetro menor (el ancho del tamiz deja pasar el 10% de la muestra) 6 Medidas del estado energético del agua en el suelo (tensiometría) Tensiómetros: medida de la succión Utilizados para • Elaborar curvas de retención • Deducir valores de humedad • Caracterizar el flujo Inconvenientes • Descalibración • Histéresis • Afección de factores externos (temperatura) Caracterización de medio físico • Conductividad hidráulica (K) • Medida de la capacidad de un suelo de dejar circular un fluido. • Es función de las características intrínsecas de la matriz del suelo y de las propiedades del fluido contenido en dicho suelo. • Su valor decrece de manera exponencial a medida que disminuye el valor de la humedad (θ). Conductividad hidráulica saturada (suelos saturados) •a partir de la textura del suelo •permeámetros de laboratorio •infiltrómetro de Philip-Dunne •permeámetro Guelph Conductividad hidráulica no saturada • infiltrómetros de anillos (TRIMS = Triple Ring Infiltrometer at Multiple Suctions) 7 Caracterización de medio físico Relación humedad - tensión • Curva de retención o curva de succión-humedad, que representa la evolución del contenido volumétrico o grado de saturación en función de la succión y refleja la capacidad del suelo para retener agua en función de la succión ejercida • • • Característica de cada suelo Su forma depende de la estructura del suelo y de la geometría y distribución de los tamaños de los poros Regiones • • • Región de entrada de aire, que corresponde a la franja en que el suelo se encuentra saturada donde el potencial varía y el contenido de agua no. Región capilar, en la que pequeños incrementos de succión provocan el drenaje de los poros más pequeños y el contenido de agua en el suelo disminuye rápidamente. Región de adsorción, sólo queda el agua adsorbida en las partículas del suelo e importantes cambios de succión se asocian a cambios pequeños de contenido de agua • • • • Determinación en campo o en laboratorio Histeresis: Se debe a que los ángulos de contacto del agua con la fase sólida son distintos en mojado y en secado Existen funciones para representar y modelizar las curvas de retención Usos • • • • • Determinar el índice de humedad disponible en suelo Estimar ciertos valores de humedad característicos de la relación suelo-agua-planta (cc, pm) Clasificar los suelos Detectar cambios en la estructura del suelo Determinar la relación entre la tensión de la humedad y otras propiedades físicas θ (cm3 / cm3 ) Curva retención . . . .. . . . . 0.44 secado 0.40 humedecimiento limo arenoso 0.36 0 -60 -120 -180 -240 h (cm) 8 Retención de agua en el suelo 60 θ (%) Agua gravitacional Capacidad de campo 40 Agua disponible 20 Punto de marchitamiento Punto higroscópico No disponible -1 -10 -100 -1000 -10000 -100000 -1000000 Potencial (kPa) Retención de agua en el suelo Capacidad de campo: grado de humedad de una muestra que ha perdido su agua gravífica (agua que queda en el terreno después de un riego o lluvia y podrá ser aprovechada por las plantas). Punto de marchitamiento: grado de humedad de un suelo que rodea la zona radicular de la vegetación, tal que la succión de las raíces es menor que le retención del agua por el terreno y en consecuencia la planta no puede extraerla. Punto higroscópico: grado de humedad que corresponde al agua higroscópica, la cual no se desplaza Suelo no saturado 9 Relación humedad-tensión • Curva de conductividad - succión 103 Suelo arenoso 101 Suelo arcilloso 10-1 10-3 K (θ) 10-5 10-7 -105 -103 -101 Potencial h (cm) Altura capilar: representa la altura media de la franja capilar del suelo. Índice de distribución de tamaño de poros. Se obtiene a partir de la curva de retención, aplicando la ecuación del Brooks y Corey α S S0 P Pc P0 Coeficiente de distribución de poros Estado de saturación del suelo para una presión de succión P Saturación irreductible Presión de succión del suelo para un estado de saturación S S − S0 ln Altura capilar 1 − S0 Presión de succión del punto de marchitamiento α= ln P − P0 Pc − P0 10 Absorción radicular: cantidad de agua absorbida por las raíces de las plantas. Existen varios modelos Basados en la evolución del crecimiento radicular , la cobertura vegetal del suelo y la densidad radicular Basados en la existencia de una relación de dependencia lineal entre la absorción y el potencial del agua mediante la expresión Otras características Caracterización microbiológica pH Capacidad de cambio iónico Carbono orgánico Otras 11
