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INFILTRACIONHuancayo - 2015

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1AGRORURALDnde podemos encontrar agua?Aunque nosotros no la podamos ver con nuestros propios ojos, en el suelo tambin hay agua, esta es llamada agua subterrnea. El agua subterrnea es el agua de lluvia que se infiltra en el suelo y se almacena en los poros de la tierra.

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El suelo contiene diversas capas de agua que son llamadas acuferos, todos estos contienen ciertas cantidades de agua. Cuando cae la lluvia la capa de saturacin crece ms y como resultado se ampla la capa de agua subterrnea.

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Conceptos Bsicos a conocerInfiltracin: es la velocidad con que entra el agua en el perfil del suelo.Permeabilidad: es el movimiento del agua en flujo saturado en cada uno de los horizontes del suelo.Drenaje: es la eliminacin de agua de superficie por infiltracin, permeabilidad y escurrimiento.Escurrimiento: es la eliminacin del agua superficial debida al relieve.5Constituida por parte de precipitacin que escurre superficialmente. Antes que se incorpore a un cauce natural de cualquier magnitud, lmina de agua que escurre superficialmente flujo superficial. Escorrenta Superficial

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6AGRORURALInfiltracinLa infiltracin juega un papel de primer orden en la relacin Lluvia / Escurrimiento y por lo tanto en los problemas de diseo, prediccin asociados a la dimensin y operacin de las obras hidrulicas.

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23/05/2015NEn general, el volumen de infiltracin es varias veces mayor que el de escurrimiento durante una tormenta (Lluvia) dada, especialmente en las zonas de urbanizacin relativamente bajo. (Primeras lluvias que caen en la temporada).

Infiltracin

23/05/2015NSe define como la cantidad de agua en movimiento que atraviesa verticalmente la superficie del suelo producto de la accin de las fuerzas gravitacionales y capilares, sta cantidad de agua quedar retenida en el suelo o alcanzar el nivel fretico del acufero, incrementando el volumen de ste.

9INFILTRACIN

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23/05/2015N11ESCORRENTA/INFILTRACINAgua que cae como lluvia o nieve se puede evaporar, escurrir o infiltrar, dependiendo de:Tasa de precipitacinContenido hdrico del sueloPendiente y vegetacin

23/05/2015N11AGRORURAL12INFILTRACIN / PERCOLACINAbsorcin y entrada del agua hacia interior del sueloHumedad del sueloAgua subterrneaPercolacinInfiltracin

12AGRORURAL13INTERCEPCINParte de lluvia que cae encima de plantas y que se evapora sin llegar al suelo.

IntercepcinPrecipitacinEscurrimiento fustalPrecipitacindirecta

13AGRORURAL

Factores ms importantes que afectan la velocidad o tasa de infiltracin:Caractersticas fsicas de la textura del sueloCarga hidrulica o lmina sobre la superficie del sueloContenido de materia orgnica y carbonatos en el sueloContenido de humedad del suelo (inicial y a saturacin)Grado de uniformidad en el perfil del sueloAccin microbiana en el sueloTemperatura del suelo y del aguaCobertura vegetalUso del sueloCantidad de aire atrapado en el sueloLavado del material finoCompactacin

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23/05/2015NProceso de InfiltracinSi consideramos un rea de suelo suficientemente pequea, de modo que sus caractersticas (tipo de suelo, cobertura vegetal, etc), as como la intensidad de la lluvia en el espacio puedan considerarse uniformes. Adems supongamos que al inicio de la lluvia, el suelo est lo suficientemente seco para que la cantidad de agua que puede absorber en la unidad de tiempo (es decir su capacidad de infiltracin) sea mayor que la intensidad de la lluvia en esos primeros instantes de iniciada la lluvia. 15

23/05/2015NProceso de InfiltracinSi: i < fp, entonces f = iBajo dicha condiciones, se infiltrara todo lo que llueve, es decir:

Donde

f: Infiltracin, expresada como lmina por unidad de tiempo (mm/h)fp: Capacidad de infiltracin en lmina por unidad de tiempo (mm/h)i: Intensidad de la lluvia (mm/h)

1623/05/2015NProceso de InfiltracinAl avanzar el tiempo y si la lluvia es suficientemente intensa el contenido de humedad del suelo aumentar hasta que la superficie alcance la saturacin, en ese momento se empiezan a llenar las depresiones del terreno, es decir se originan charcos y comienza a producirse flujo sobre la superficie. A este instante se le denomina tiempo de encharcamiento y se le denota como tp (ponding time).

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23/05/2015NProceso de InfiltracinSi: i > fp, t > tp, entonces f = fpDespus del tiempo de encharcamiento y si la lluvia sigue siendo intensa, el contenido de humedad del suelo aumentar y la capacidad de infiltracin disminuir con el tiempo. Bajo stas condiciones la infiltracin se hace independiente de la variacin en el tiempo de la intensidad de la lluvia, en tanto que sta sea mayor que la capacidad de transmisin del suelo, de manera que:Donde

f: Infiltracin en lmina por unidad de tiempo (mm/h)fp: Capacidad de infiltracin en lmina por unidad de tiempo (mm/h)i: Intensidad de la lluvia (mm/h)Donde fp decrece con el tiempo.

1823/05/2015NProceso de InfiltracinBajo las condiciones anteriores, la capa saturada que en el tiempo de encharcamiento era muy delgada y estaba situada en la superficie del suelo se ensancha a medida que su lmite inferior, denominado frente hmedo se va profundizando.19

23/05/2015NProceso de InfiltracinEntonces, dado que cada vez una mayor parte del suelo est saturada, las fuerzas capilares pierden importancia paulatinamente hasta que llega un momento (tericamente t = ), en que el estar todo el medio saturado, el movimiento del agua se produce slo por la accin de la gravedad y la capacidad de infiltracin se hace constante.20

23/05/2015NProceso de InfiltracinSi despus del tiempo de encharcamiento la lluvia entra en un periodo de calma, es decir, su intensidad disminuye hasta hacerse menor que la capacidad de infiltracin, el tirante de agua existente sobre la superficie del suelo disminuye hasta desaparecer y el agua contenida en los charcos tambin se infiltra y en menor grado se evapora.21

23/05/2015NEstructura del suelo y el agua que se infiltra.22

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23/05/2015NMtodos para Estimar la InfiltracinVp = Vll - VedMtodos en base a la relacin lluvia - escurrimiento directoCuando se tienen mediciones simultneas de lluvia y volumen de escurrimiento en una cuenca, las prdidas se pueden calcular de acuerdo a la siguiente ecuacin:

Donde

Vp: Volumen de prdidasVll: Volumen de lluviaVed: Volumen de escurrimiento directo

2523/05/2015NF = I - RMtodos en base a la relacin lluvia - escurrimiento directoSi ambos miembros de la ecuacin anterior se dividen entre el rea de la cuenca se obtiene:

Donde

F: Infiltracin o lmina de prdidas acumuladasI: Altura de lluvia acumuladaR: Escurrimiento directo acumulado

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23/05/2015Nf = i - rSi a su vez la ecuacin anterior se deriva con respecto al tiempo, se tiene:Donde

r : Es la lmina de escurrimiento directo por unidad de tiempo. Para ello se usan comnmente dos tipos de criterios en cuencas aforadas:-Capacidad de infiltracin media-Coeficiente de escurrimiento

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23/05/2015NCapacidad de Infiltracin Media ()hpe =Ved/AcEste criterio supone que la capacidad de infiltracin es constante durante la tormenta. A esta capacidad de infiltracin se le llama ndice de infiltracin media (). Cuando se tiene un registro simultneo de precipitacin y escurrimiento de una tormenta, el ndice de infiltracin media se calcula de la siguiente manera:

a. A partir del hidrograma de la avenida se separa el flujo o caudal base y se calcula el volumen de escurrimiento directo. Se calcula la altura de lluvia en exceso o efectiva hpe, como el volumen de escurrimiento directo Ved dividido entre el rea de la cuenca Ac:

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23/05/2015NCapacidad de Infiltracin Mediac. Se calcula el ndice de infiltracin media trazando una lnea horizontal en el hietograma de la tormenta, de tal manera que la suma de las alturas de precipitacin que quedan arriba de esa lnea sea igual a ief. El ndice de infiltracin media ser entonces igual a la altura de precipitacin correspondiente a la lnea horizontal dividida entre el intervalo de tiempo t que dure cada barra del hietograma.

29hpe =Ved/Ac

23/05/2015NEjemplo:En una cuenca de 36 km2 se midieron el hietograma y el hidrograma respectivo. Determinar el ndice de infiltracin media que se tuvo durante la tormenta.

3023/05/2015NEjemplo:Calculando el Volumen de Escurrimiento Directo Ved:Ved = (10 m3/s x 7 x 3600 s) / 2 = 126 000 m3Calculando la lluvia efectiva:hpe =Ved/Ac = 126 000 m3 / 36 000000 m = 3.5 mm

rea de la Cuenca = 36 km. = 36 x 1063123/05/2015NCriterio de Coeficiente de Escurrimiento32f= (1-Cei), es decir, r= CeiCon es te criterio se supone que las perdidas son proporcionales a la intensidad de la lluvia, esto es:Cei = Constante de proporcionalidad sin unidades. (coeficiente de escurrimiento)

Ved = Ce * Vll Ce = Ved / Vll23/05/2015NEjemplo:Calcular el coeficiente de escurrimiento para el caso anterior:La altura de la precipitacin total:hpt = 18.46 mm33El volumen llovido ser entonces :Vll = 18.46 * 10-3 * 36* 106 = 664 560 m3

Por lo tanto, el coeficiente de escurrimiento es:Ce = 126 000/ 644 560 = 0.1923/05/2015NMTODOS EMPRICOS Mtodo de Kostiakov (1932)Kostiakov propuso un modelo exponencial

f : Velocidad de infiltracin a y b: Coeficientes de ajustet : Tiempo transcurrido desde el inicio de la infiltracin llamado tambin tiempo de oportunidad o tiempo de contacto del agua con el suelo.fbsica : Tasa de infiltracin correspondiente a la situacin en que la variacin entre dos valores consecutivos de f no sobrepasen el 10%.

F : Lmina total infiltrada en el tiempo t desde el inicio de la infiltracin.3423/05/2015NMTODOS EMPRICOSMtodo de Horton (1940) Horton supuso que el cambio en la capacidad de infiltracin puede ser considerada proporcional a la diferencia entre la capacidad de infiltracin actual y la capacidad de infiltracin final, introduciendo un factor de proporcionalidad k.e = 2.7182 Numero de Euler

3523/05/2015NMTODOS EMPRICOSMtodo de Horton (1940)Al transformar la ecuacin de Horton a una forma logartmica se obtiene que:

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Log e = 0.434294481923/05/2015NESTIMACIN DE LA INFILTRACIN BSICA DEL SUELO Utilizando el mtodo de Porchet o cilindro invertido. El procedimiento es el siguiente:Para realizar esta prueba es necesario limpiar el rea, hacer un agujero utilizando un barreno.Se excava un agujero con radio y altura conocida, se le agrega agua cerca del punto de saturacin del suelo y se toman las lecturas en intervalos de tiempo conocidos.El radio del cilindro se conoce como R, la altura conocida h, y el cambio de tiempo t para encontrar la capacidad de infiltracin f.Para determinar f se utiliza la siguiente ecuacin:f = (R/2(t2-t1)) * ln ((2h1 + R)/(2h2 + R))Y para determinar f, basta medir pares de valores (h1, t1), (h2, t2), de forma que t2 y t1 no difieran demasiado y entrar con ellos en la expresin dada.

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23/05/2015NDETERMINACIN DEL BALANCE HDRICO DE LOS SUELOS Se estima el balance hdrico del suelo, utilizando el modelo de Schosinsky (2007), en la cual se ingresaran las variables: caractersticas fsicas del suelo (textura, densidad aparente), infiltracin bsica, constantes de humedad (CC y PMP), clima (precipitacin y ETP), cobertura y profundidad radicular.La relacin entre la infiltracin y precipitacin, la infiltracin y pendiente y la infiltracin y cobertura vegetal, estos aspectos proporcionan el coeficiente deinfiltracin para un determinado suelo e indica la capacidad de infiltracin del mismo.23/05/2015NCi = Kfc + Kp + Kv

Donde:Ci: Coeficiente de infiltracinKfc: Factor de infiltracin por efecto del sueloKp: Factor de infiltracin por efecto de la pendienteKv: Factor de infiltracin por efecto de la cobertura vegetal.

23/05/2015NSchosinsky G. (2007), obtuvo una ecuacin que relaciona la capacidad de infiltracin de agua en el suelo (infiltracin bsica) con la intensidad de la lluvia, y es la siguiente:

Kfc = 0.267 Ln( fc) 0.000154( fc) 0.723

Donde:Kfc: Factor de infiltracin de agua en el suelo e intensidad de lluvia.Ln: Logaritmo neperiano (natural)fc: Valor de infiltracin bsica en mm/da

23/05/2015NLos valores del factor de infiltracin por efecto de la pendiente (Kp) y el factor de infiltracin por efecto de la cobertura vegetal (Kv) propuestos por Schosinsky (2007), se presentan a continuacin:

23/05/2015NPendiente%CoeficienteMuy plana0.02 0.060.30Plana0.3 0.40.20Algo plana1 20.15Promedio2 70.10Fuerte> 70.06Cuadro: valores de infiltracin bsica por efectos de la pendiente (kp) Fuente: Schosinsky 200723/05/2015NCobertura VegetalCoeficienteHierba o Pasto ( 75%)0.21Cuadro 2, valores de infiltracin bsica por efectos de la cobertura vegetal (kv) Fuente: Schosinsky 2007El factor Kv, se obtiene mediante el mapa de cobertura vegetal de la cuenca.23/05/2015NPara calcular la recarga hdrica se sugiere utilizar el siguiente mtodo:Para el clculo de la recarga hdrica natural se utiliz la siguiente ecuacin:Rh = Pef + HIS - HFS - ETR

Donde:Rh: Recarga hdrica.Pef: Precipitacin efectiva.HIS: Humedad inicial del suelo.HFS: Humedad final del suelo.ETR: Evapotranspiracin real..23/05/2015NMEDICIN DE LA INFILTRACINPara medir la velocidad de infiltracin, existen varios mtodos, entre ellos:

- Cilindros infiltrmetros- Surcos infiltrmetros- Mtodo de represa o poceta (Rellenos)- Mtodo del cilindro

Independiente de la utilidad prctica de cada uno de ellos, los infiltrmetros han sido ms recurrentemente utilizados, ya que requieren de menos equipos y materiales, y son ms fciles de instalar y operar.

23/05/2015NMtodo del CilindroEste mtodo se utiliza para determinar la velocidad de infiltracin en suelos en los que se establecern mtodos de riego, tales como acequias en contorno, bordes, tazas, aspersin y goteo.

23/05/2015NSegn Gurovich, los materiales necesarios para la ejecucin adecuada de ste, son:

a. Cilindro metlico de acero, y un dimetro no inferior a 30 cm y de 0,5 cm de grosor.b. Martillo (pesado para labores de penetracin en el suelo)c. Estanque de agua de 10 a 15 litros.d. Agua de igual calidad.e. Regla milimtrica.f. Protector de erosin (plstico, madera en el fondo del cilindro)g. Cronmetro o reloj.

23/05/2015NProcedimiento:1. Ubicar cinco lugares representativos del campo a examinar. Evitar bordes del campo, caminos, huellas de llantas, rajaduras en el suelo, etc. Marcar estos cinco lugares con una pequea bandera, palo u otra sealizacin temporal. Anotar en el mapa del campo la ubicacin aproximada de estos cinco lugares.2. Colocar un anillo sobre el suelo en el lugar #1, teniendo cuidado de remover residuos del lugar donde el anillo metlico toca el suelo, de tal manera que los residuos no hagan ms duro el golpear el anillo durante su instalacin. En lo posible dejar los residuos sin remover, tanto dentro como fuera del anillo.3. Poner la tabla cruzando el anillo, mientras sostiene la tabla firmemente con una mano, golpee suavemente en el centro de la tabla con el pequeo combo, forzando al anillo a penetrar suavemente en el suelo. Golpear el anillo hasta que penetre tres pulgadas (sobresaliendo dos pulgadas). Tratar de que el anillo este nivelado, y evite cualquier movimiento lateral del anillo que podra crear un canal para el agua.4. Forrar el interior del anillo con una lmina cuadrada de plstico de tamao mediano. Lentamente vierta la copa de agua sobre la lmina de plstico. El agua debe permanecer sobre la lmina de plstico y no escurrir por los lados. El que controla el tiempo debe poner el cronmetro a cero o establecer el tiempo del inicio. Esta prueba es ms fcil si es que hay dos personas, una que controla el tiempo y la otra que observa el agua.

23/05/2015NProcedimiento:5. Retire suavemente la lmina de plstico que esta debajo del agua. Esto debera hacerse en uno o dos segundos. No estire violentamente ya que el agua podra derramarse, pero tampoco tome mucho tiempo en hacerlo. Controle el tiempo desde el momento en que el agua toque el suelo.6. Pare el reloj cuando el agua libre desaparezca, y cuando el suelo tenga aun brillo. Registre el tiempo en su hoja de datos. Esta es la cantidad de tiempo que le tomara a una pulgada de lluvia para penetrar en el suelo si caera muy rpidamente. Esta prueba puede tomar en completar desde unos cuantos segundos a muchas horas. Si hubiera una rajadura en el suelo, y si solo uno de los lugares de muestreo va muy rpido, no considere ese dato y repita la prueba en otro lugar. Si, cuatro de los cinco anillos dan un resultado muy aproximado, y uno de los anillos da un resultado mucho mas rpido o mucho mas lento. Ejemplo: si en cuatro de los anillos se toma de 20 a 30 minutos, y uno toma 5 horas, no considerar este ltimo. Es probable que esto se deba a una capa compacta localizada en este sitio. Sin embargo, es posible que usted desee regresar y ver cun extensivo es la compactacin, cun profundo, y si hay prcticas de manejo que puedan reducir la compactacin.7. Con el anillo en el mismo lugar, poner el plstico de nuevo y repetir los pasos 4 y 5. Este ser el tiempo requerido para la penetracin de una pulgada de lluvia. La segunda pulgada a menudo toma ms tiempo que la primera, pero es un mejor indicador de la calidad del suelo, ya que la velocidad a la cual la primera pulgada de lluvia penetra en el suelo es parcialmente debida a cuan seco el suelo estaba cuando se empez con la prueba. La segunda pulgada es un mejor indicador de la porosidad, y presencia de agregados estables al agua, lo cual incrementa la porosidad y la velocidad de infiltracin del suelo.

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23/05/2015NEl registro de las mediciones, se realiza en base a una tabla con distintas alturas de agua en el cilindro, a intervalos peridicos, de modo de registrar intervalos a los 5, 10, 20 ,30 ,45, 60 90..... (tabla N 1); de igual forma su representacin grfica puede apreciarse en el grfico N 1.

Tabla N 1. Determinacin de la velocidad de infiltracin de los suelos

23/05/2015NDonde:I: Velocidad de infiltracin en mm/hrDh : Diferencial de altura de agua ( cm)t: Diferencial de tiempo (m)

Para la determinacin de la velocidad de infiltracin (5) se empleo el coeficiente I:

23/05/2015NPara la determinacin de la velocidad de infiltracin (5) se empleo el coeficiente I:

23/05/2015NEn relacin con los datos encontrados en cada uno de los ensayos, se opto por el criterio de utilizar el promedio de los tres valores de menor velocidad de infiltracin, con el fin de asumir un criterio conservador en el diseo que asegura un no colapso de las obras. Luego, el valor de infiltracin promedio es 72 mm/hr.

23/05/2015NPruebas de permeabilidad.Las pruebas de permeabilidad se clasifican como sigue:En el campo.Pozos de absorcin.Pozos de filtracin.Pozos en material homogneo.En el laboratorio.Permemetro de carga constante.Permemetro de carga variable.Permemetro de capilaridad horizontal.23/05/2015NPruebas de Campo.Pozos de absorcinSe excavan pozos de 20 x 30 x 30 cm., en lugares representativos.Estos pozos se espacian 50 m bien, se perforan cuatro en cada hectrea.Se raspa el fondo y las paredes para eliminar superficies sucias o grasosas.Cada pozo se llena con agua unas tres veces antes de tomar las lecturas, para saturar el terreno circundante. Se puede dejar el agua de toda una noche, con el mismo objeto, despus de lo cual se vuelve a llenar con agua el pozo.Se determina el tiempo de infiltracin como indicio de la permeabilidad. Esta prueba es representativa de una capa de material de un metro.Si el descenso total del agua se realiza en menos de una hora, se puede decir que el terreno es permeable e inadecuado. Si el agua tarda ms de una hora en infiltrarse totalmente, el terreno puede ser bueno.Un manto es prcticamente impermeable si el agua tarda ms de 24 horas en serabsorbida completamente.A partir del tiempo de infiltracin se calcula el volumen de infiltracin, en m3/m2.23/05/2015NPruebas de Campo.Pozos de filtracinSe excavan dos pozos a una distancia de un metro, se llenan de agua y as se mantienen con una diferencia de nivel de un metro. La permeabilidad de este caso se calcula por medio de redes de flujo.Pozos en material homogneoUtilizando la frmula de THIEMES se puede obtener el coeficiente de permeabilidad, cuando el material es homogneo, excavando tres pozos e instalando en uno de ellos un equipo de bombeo y midiendo el abatimiento del nivel fretico en los otros.23/05/2015NTrabajo 01: A continuacin se presentan tres estaciones calcular el valor de la velocidad de infiltracin I y realizar las graficas de infiltracin, radio del infiltometro 0.30 m.

23/05/2015NStorm Water Management Model de la EPA: SWMM 5.1.002 con Low Impact Development (LID) Controls. Esta versin se incluyen:Una modificacin del mdulo de Horton dentro del mtodo de infiltracin.La evaporacin y la exfiltracin desde conductos.Posibilidad de usar una segunda ecuacin definida por el usuario para el flujo de aguas subterrneas.Opcin para guardar un archivo hotfile con el estado completo del sistema al momento de terminar la simulacin.Y en lo relativo a las tcnicas de drenaje sostenible o LIDs, la modificacin ms relevante es la inclusin de dos nuevos mdulos de LID, las cubiertas verdes y los rain gardens o jardines de lluvia, as que ya no tienen que configurarse desde el mdulo de biorretencin. Adems, la cubierta verde hace que aparezca una nueva capa, la capa drenante, que sirve para almacenar y transportar el agua que percola a travs de la capa suelo. En lo referente a la interface, la versin 5.1, muestra los esquemas de cada una de los controles LID, como se ve en las imgenes de ms abajo.Clulas o reas de biorretencinDepresiones que contienen vegetacin cultivada en una mezcla de suelo establecida por encima de una capa de grava drenante. Almacenan, infiltran y evaporan el agua acumulada por precipitacin directa y procedente de la escorrenta de zonas aledaas.

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GRACIAS POR SU ATENCIN

rnunez@continental.edu.pe

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