documento conductividad hidráulica en suelos

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LA CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA DE LOS SUELOS COMO FUNCION DEL
CONTENIDO Y DE LA TENSION HIDRICA
F. GÓNZALEZHERNÁNDEZ; M. LÓPEZARIAS; M.T. MINAYAGALLEGO
INSTITUTO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN y TECNOLOGÍA AGRARIA y ALIMENTARIA.
28040 MADRID.
RESUMEN
En una parcela situada al sur de España, en la provincia de Huelva, poblada de
Eucaluptus globulus Labill, se han practicado dos calicatas de las que se han tomado a
diferentes profundidades, una serie de muestras de suelo alteradas e inalteradas. Con ellas
se han obtenido la textura, densidad aparente, porosidad total, conductividad hidráulica
saturada, curvas tensión-humedad y función de conductividad hidráulica no saturada. Se
observa una disminución en la conductividad hidráulica saturada con la profundidad del
perfil, como consecuencia de una diminución de la porosidad debido a una mayor
compactación y aumento de la densidad aparente. Los valores de la conductividad
hidráulica no saturada suministrados por la función, se manifiestan respecto a la
profundidad del perfil, en el mismo sentido que los correspondientes a la conductividad
hidráulica saturada.
P.C.: Suelo, textura, densidad aparente, porosidad total, conductividad hidráulica saturada,
conductividad hidráulica no saturada.
SUMMARY
A number of disturbed and undisturbed soi] samples were taken at diffrent depths from
two soil-pits opened in an Eucaliptus globulus Labil1 stand. The stand was located in the
province of Huelva, an occidental region in southern Spain. Soil texture, bulk density, total
porosity, tension-moisture curves, saturated hydraulic conductivity and an unsaturated
hydraulic conductivity function were determined in these samples. There was a decrease on
the saturated hydraulic conductivity with soil, which was the consecuence of a progressive
increase of soil compaction and bulk density with depth. The unsaturated hydraulic
conductivity values given by the function, according to the soil depth, changed in the same
direction as the corresponding values of saturated hydraulic conductivity.
K.W.: Soil, texture, bulk density, total pososity, saturated hydraulic conductivity,
unsaturated hydraulic conductivity.
INTRODUCCION
El suelo constituye un sistema complejo que consiste en proporciones variables de
cuatro componentes principales. La mineral o partículas de roca y la materia orgánica
descompuesta, que constituyen la matriz sólida y la disolución del suelo y el aire que
ocupan el espacio poroso dentro de esa matriz. Además de estos cuatro componentes, el
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suelo contiene generalmente múltiples organismos VIVIentes, como bacterias, hongos,
protozoos, raíces y pequeños animalillos que afectan directa o indirectamente a la estructura
del suelo.
Las partículas minerales de la matriz sólida son los componentes principales de la
mayoría de los suelos, excepto en los suelos orgánicos como los de turba y también son los
mas estables. La materia orgánica no viviente suele constituir menos de 5% del volúmen,
salvo en la capa superficial y en los suelos orgánicos.
La propiedad mas destacada de la matriz sólida, es su naturaleza fragmentada en
partículas. En contraste, el espacio poroso forma un sistema contínuo pero geométricamente
complejo que por lo general constituye entre el 30 y el 60% del volúmen total, que puede
estar lleno de agua como en los suelos saturados, o en gran parte lleno de aire como en los
suelos secos. El agua se desplaza de unos lugares a otros del perfil, pues raramente se dan
en campo las condiciones de equilibrio termodinámico en el sistema AGUA-SUELO.
En un sistema en equilibrio, el potencial hídrico del agua tiene el mismo valor en todos
su puntos. En los demás casos habrá procesos de transferencias de agua, que pueden tener
lugar mediante flujo saturado, en los que el espacio poroso está lleno de agua, asociado a un
potencial matricial nulo, o mediante flujo no saturado, con un sistema poroso parcialmente
vacío y un potencial mátrico distinto de cero. Este tipo de flujo es el mas corriente en suelos
secos que se humectan o que se secan, siendo a la vez mas difíciles de describir. El
mecanismo de transferencia varía, según que el suelo esté relativamente seco, adquiriendo
importancia el flujo en forma de vapor, con una gran influencia de los gradientes térmicos,
o si el suelo está relativamente húmedo, con flujo capilar en cualquier dirección.
La mayor parte de los procesos de transferencia en los suelos tienen lugar en régimen no
saturado, limitándose el régimen saturado en la mayoría de los casos, al tiempo de duración
de la precipitación o el riego.
MATERIAL Y METODOS
Cuando se considera el movimiento de la masa de agua a través de suelos no saturados,
la constante de proporcionalidad de la ecuación de Darcy se denomina conductividad
hidráulica in saturada.
A medida que se efectúa el escurrimiento del suelo y los poros mas grandes van
quedando vacíos de agua, la contribución de la componente gravitacional al potencial
hídrico se hace progresivamente mas pequeño, creciendo sin embargo en importancia el
componente matrico de dicho potencial (COLLIS-GEORGE, 1971).
Cuando en un suelo descienden el contenido hídrico y el potencial hídrico, la
conductividad hidráulica se reduce muy rápidamente. Es notable el hecho de que cuanto
mayor sea el decrecimiento de agua en el suelo, tanto menor será la efectividad del sistema
conductor y menor por lo tanto el valor de la conductividad hidráulica (WARD y
ROBINSON, 1990).
La medida de la conductividad hidráulica in saturada resulta mucho mas difícil de medir
con precisiones que la saturada, no existiendo un método cuya validez sea general para
todos los suelos y circunstancias. Por ello se han propuesto diferentes métodos para realizar
estimaciones basadas en otras propiedades del suelo mas fácilmente medible s (GAYLON S.
CAMPBELL, 1974; BRAS, 1990).
La aproximación mas sencilla es la que se basa en la textura (ALEXANDER y
SKAGGS, 1987). Sin embargo, aunque la textura es una característica muy importante y de
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habitual determinación en los suelos, existen otros factores que pueden ser importantes en
cada caso particular. Así mejores estimaciones de la conductividad hidráulica in saturada
pueden esperarse cuando se dispone de las curvas características de humedad (OA YLON S.
CAMPBELL,1974).
Este autor hace un planteamiento de la conductividad hidráulica, cuya resolución le lleva
a que la conductividad hidráulica insaturada puede obtenerse para algunos tipos de suelos
mediante la ecuación:
K (S)= Ks (S / Ss)
2 b+3
(1)
Siendo:
K (S): Función de conductividad hidráulica.
Ks : Conductividad hidráulica saturada
S
: Humedad volumétrica
Ss
: Humedad volumétrica de saturación
b
: Exponente de la curva característica de humedad dada por la ecuación '1'= a S- b
Si tenemos en cuenta las curvas características de humedad dadas por el modelo
Oardner:
'I' = a S-b la ecuación de conductividad como función del potencial hídrico se expresaría
por:
K ('1') = Ks ('I' / a )2 + b/3
/
Ss
2b +3
(2)
Siendo:
K ('I') : Función de conductividad hidráulica
'I'
: Tensión hídrica
a
: Parametro de ajuste
El resto de los parámetros tienen el mismo significado que en la ecuación (1).
A la vista de las ecuaciones (1) y (2), la conductividad hidráulica insaturada para
algunos suelos puede expresarse, como función del contenido y de la tensión hídricás,
cuyos parámetros dependen de propiedades y características físicas de los suelos de singular
importancia, como la función característica de humedad, la conductividad hidráulica
saturada y la humedad de saturación. Dada la relación que liga la humedad volumétrica de
los suelos con la porosidad, podemos tomar con suficiente precisión los valores de
porosidad total como humedad de saturación.
La experiencia se ha llevado a cabo en las masas de E. globulus del sur de España, en la
provincia de Huelva. En este lugar y en una de las parcelas existentes, se señalaron dos
puntos separados unos cien metros, en los que se abrieron dos calicatas, en uno de cuyos
extremos se construyeron una serie de escalones a: 30, 60, 90 y 120 centímetros de
profundidad, escalones que no tenían mas objeto que facilitar la toma de muestras.
De ambas calicatas y para cada uno de los escalones se tomaron dos tipos de muestras.
Una alterada, de unos dos kilos y medio, para los análisis de textura y construcción de las
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curvas características de humedad y otras tres muestras inalteradas en cilindros metálicos,
para los ensayos de conductividad hidráulica saturada y densidad aparente.
Sobre la fracción correspondiente a la tierra fina « 2 mm) siguiendo a GANDULO et al
(1978) se determinó la textura para cada estrato, y con esta misma fracción se determinaron
los puntos de la curva característica de humedad mediante el equipo de cámaras de presión
y placa de cerámica porosa ideado por Richarsd en 1949, obteniéndose cuatro puntos para
cada estrato, los correspondientes a las tensiones, 0.33, 1.00, 8.50 y 15.00 Kg/cm 2 ,
haciéndose tres repeticiones por punto. A estos puntos se les ajustó el modelo de Gardner 'JI
-b
=a e
Siendo:
'JI : tensión matrica en Kg/cm 2
e : humedad volumétrica en tanto por uno
a y b : parámetros de ajuste
Con las muestras de suelo inalterado se determinó la densidad aparente y la
conductividad hidráulica saturada, esta mediante el permeametro de carga constante. Las
muestras se ensayaron durante cuarenta y ocho horas, haciéndose cuatro mediciones de una
hora de duración, durante el transcurso de la primera, tercera, veinticuatro y cuarenta y ocho
horas del inicio del ensayo.
RESULTADOS y DISCUSION
En la tabla 1 se muestran los parámetros obtenidos con las muestras de suelo para los
diferentes estratos de los perfiles.
De la observación de los mismos y en cuanto a la composición granulométrica, cabe
destacar los altos porcentajes de elementos finos en todos los estratos, excepto para el 30-60
del perfil A, y también los altos porcentajes de arena, excepto para los estratos 60-90 y 90120 del mismo perfil. Con estos porcentajes de arena, se corresponden unos bajos
contenidos en limos, aunque muy similares para todos los estratos y unos aun menores
contenidos de arcilla, excepto para los estratos 60-90 y 90-120 del perfil A. Podemos decir
que el perfil B es texturalmente mas homogéneo, con contenidos de arena superiores al 90%
en todos sus estratos y con bajos contenidos de limos y arcillas. Por el contrario, el perfil A
presenta una mayor heterogeneidad con contenidos de arena similatres al perfil B en los dos
estratos mas superficiales y elevados contenidos de arcilla en los mas profuncos, siendo los
limos muy similares.
En cuanto a la densidad aparente, en ambos perfiles aumenta con la profundidad,
disminuyendo ligeramente en el estrato mas profundo. Las mayores densidades en todos los
estratos del perfil A respecto del B, son debidos a una mayor compactación del suelo.
Dado el caracter inverso que relaciona la densiadad aparente con la porosidad, a valores
crecientes de aquella, corresponderán valores decrecientes de esta.
En los dos perfiles, los valores de la conductividad hidráulica saturada disminuyen
conforme aumenta la profundidad de los estratos, siendo mayores los valores
correspondientes al perfil B.
Podemos decir que conforme aumenta la profundidad del perfil, aumenta la densidad
aparente, como consecuencia de una mayor compactación del suelo. A este aumento de
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densidad, corresponde una disminución del espacio poroso y en consecuenCIa una
disminución de la conductividad hidráulica saturada.
La ecuación de la conductividad hidráulica insaturada del suelo, como función del
contenido hídrico dada por GAYLON S. CAMPBELL, depende de tres importantes
parámetros hidráulicos, la conductividad hidráulica saturada, la humedad de saturación y el
exponente de la curva característica de humedad del modelo de Gardner, parámetros
dependientes de las propiedades y características físicas del suelo, y que como estas
permanecerán constantes o al menos no variarán en mucho tiempo.
Esta ecuación es una función creciente de los valores de humedad, con un rango de
variación entre cero y el valor de la conductividad hidráulica saturada, valores que
repectivamente toma para las humedades cero y de saturación.
La proporcionalidad entre la función y la conductividad hidráulica saturada, hace que los
valores suministrados por aquella, varien en el mismo sentido que estos. En cuanto al
exponente de la función (2 b+3), dado que la variable transformada (8 / 8s) toma siempre
valores menores o iguales a uno, cuanto mayor sea el exponente, o lo que es igual, cuanto
mayor sea el parametro (b) de la curva característica de humedad, menores serán los valores
aportados por la función de conductividad. Debido al caracter exponencial, el parametro b
tendrá un mayor peso en la función, que la conductividad hidráulica saturada.
De la aplicación de la función de conductividad hidráulica insaturada a los valores de
conductividad hidráulica saturada y del parametro (b) obtenidos para los diferentes estratos
de los perfiles, se obtienen unos menores valores en el perfil A.
CONCLUSIONES
En ambos perfiles se observa una disminución de la conductividad hidráulica saturada
con la profundidad, como consecuencia de una disminución de la porosidad debido a una
mayor compactación del suelo y aumento de la densidad aparente. Los valores de la
conductividad hidráulica saturada del perfil B son mayores que sus correspondientes del A.
Los valores de la conductividad hidráulica insaturada suministrados por la función, se
manifiestan respecto a la profundidad del perfil, en el mismo sentido que la conductividad
hidráulica saturada, siendo igualmente los valores de B superiores a los de A.
BIBLIOGRAFIA
ALESANDER, L.; SKAGGS, R.W.; 1987. Predicting unsatured hydraulic conductivity
from soil texture. Journal of Irrigation Drainage Engineering, 113: 184-97.
COLLIS-GEORGE, N.; DAVEY, B.G.; SMILES, D.E.; 1971. Suelo, atmósfera y
fertilizantes. Aedos. Barcelona, 334 p.
GANDULLO GUTIERREZ, J.M.; 1985. Ecología vegetal. Fundación Conde del Valle
de Salazar. E.T.S.I.M. Madrid.
GAYLON, s.c.; 1974. A simple method for determining unsaturated conductivity from
moisture retention data. Soil Sciende, 117 (6).
WARD, R.C.; ROBINSON, M.; 1990. PrincipIes of hydrology. Mc Graw-Hill Book
Company, 365 p.
365
PERFIL
A
B
PROFUN
DIDAD
(cm)
0-30
TIERR
AFINA
ARENA
LIMO
ARC!.
(%)
(%)
(%)
(%)
RO.9
87,1
7,3
5,6
C.H.S.
(mm/hora)
11,8
30-60
43.1
80,1
10.8
9.1
60-90
98,5
50,8
4,2
90-120
100,0
62,7
0-30
100,0
30-60
D.A.
(gr/cm 3)
PORO.
TOTAL
a
b
(%)
1,70
35,8
0,055
1,44
10,8
1,84
30,5
0,047
1,49
45,0
5,1
1,85
30,2
0.125
1,28
3,7
34,6
1,2
1,73
34,7
0,089
1,49
90.1
6,7
3,2
117,5
1,52
42,6
0,050
1,36
100,0
93,3
5,0
1,7
117,9
1,60
39,6
0,052
1,43
60-90
100,0
97,1
2,3
0,6
53,7
1,63
38,5
0,143
1,07
90-120
100,0
97,6
2,0
0,4
22,5
1,59
40.0
0,372
0,76
TABLA 1: Parámetros edáficos para los perfiles A y B en sus diferentes estratos.
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