8. agua del suelo

FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL

INTRODUCCION A LA INGENIERIA AMBIENTAL

AGUA DEL SUELO

POR: CHRISTIAN LUIS POMA CHAVEZ

LA HIDRÓSFERA

Es el conjunto de aguas de nuestro planeta, que permite la existencia de vida e influye en el equilibrio del ecosistema.

http://es.wikipedia.org/wiki/Tierra

http://es.wikipedia.org/wiki/Vida

http://es.wikipedia.org/wiki/Ecosistema

LA HIDRÓSFERA

Actualmente es fundamental para todas las formas de vida conocida.

Los humanos consumen agua potable.

LA HIDRÓSFERA

Los recursos naturales se han vuelto escasos con la creciente población mundial y su disposición en varias regiones habitadas

El agua representa entre el 50 y el 90% de la masa de los seres vivos.

Aproximadamente el 75% del cuerpo humano es agua; en el caso de las algas, el porcentaje ronda el 90%.

IMPORTANCIA ELEMENTAL DEL AGUA

Es un excelente disolvente, de sustancias tóxicas y compuestos bipolares. Incluso moléculas biológicas no solubles (p.e lípidos) forman con el agua, dispersiones coloidales.

Participa como agente químico reactivo, en las reacciones de hidratación, hidrólisis y oxidación-reducción.

Permite la difusión, es decir el movimiento en su interior de partículas sueltas, constituyendo el principal transporte de muchas sustancias nutritivas.

IMPORTANCIA BIOLÓGICA DEL AGUA

Constituye un excelente termorregulador (calor específico), permitiendo la vida de organismos en una amplia variedad de ambientes térmicos. Ayuda a regular el calor de los animales. Tiene un importante papel como absorbente de radiación infrarroja, crucial en el efecto invernadero.

Interviene (plantas) en el mantenimiento de la estructura celular.

Proporciona flexibilidad a los tejidos.

Actúa como vehículo de transporte en el interior de un ser vivo y como medio lubricante en sus articulaciones.

IMPORTANCIA BIOLÓGICA DEL AGUA

ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA

EL AGUA EN ESTADO LÍQUIDO

ES

Sin COLOR

Sin OLOR

Sin SABOR


El AGUA bajo CONDICIONES NATURALES

PUEDEESTAR

Vapor

Sólido

Líquido


Está formado

Por 2 HIDRÓGENOS (H+)

Por 1 OXÍGENO (O=)

Un MOL de AGUA


Un VOLUMEN ligeramente > a 18 cm3

6.02*1023 moléculas individuales

Un diámetro de tres unidades Angstrom (3*10-10m)

Un MOL de AGUA

TIENE


Debido a una distribución no balanceada de las cargas eléctricas en la molécula

Formando ángulos de 105º

aproximadamente

Los ÁTOMOS de H+

Están orientados

Dicha molécula resulta POLARIZADA

+ Carga POSITIVA

- Carga NEGATIVAEs decir:

Se llaman DIPOLARES


Hace

Esta DIPOLARIDAD

Que el AGUA sea atraída a SUPERFICIES ELÉCTRICAMENTE ACTIVAS (Cargadas)

Y resulta

Que el agua se ABSORBE fácilmente en la SUPERFICIE de ARCILLAS y otros COLOIDES


También hace

Esta DIPOLARIDAD

Que el agua resulte un buen SOLVENTE


Tienen

Mayor Libertad de movimiento

Las moléculas del AGUA LÍQUIDA

Liberan 335 julios (80 calorías) de energía calorífica cuando el agua cambia de líquido a sólido.

Y


Además

Presenta mayor desorden que en el sólido

Las moléculas del AGUA LÍQUIDA

Que el grado de desorden (ENTROPÍA) es mayor del agua líquida que el agua sólida.

O sea

CONTENIDO DE AGUA DEL SUELO

Sucede

Que los poros del suelo se saturan con agua.

Cuando el SUELO recibe agua sea por pp o riego

CONTENIDO DE AGUA DEL SUELO

ADHESIÓN

COHESIÓN

AGUA DE ADHESIÓN

ADHESIÓN

La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se unen dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.

ADHESIÓN

El Agua de ADHESIÓN se distribuye en forma de película.

Ejemplo de ADHESIÓN

ADHESIÓN

EL AGUA DE ADHESIÓN PRODUCE

a) Una reducción en el movimiento de las moléculas del agua.

b) Una reducción en el contenido de energía del agua.

c) Liberación de calor asociado con la transformación del agua a un nivel de energía más bajo.

ADHESIÓN

Por tanto

a) Se mueve nada o muy poco.

b) Esta agua no es disponible para las plantas.

AGUA DE ADHESIÓN

AGUA DE COHESIÓN

ADHESIÓN

COHESIÓN

La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

AGUA DE COHESIÓN

ADHESIÓN

COHESIÓN

Las moléculas de esta agua

a) Se encuentran en mayor movimiento.

b) Tienen un nivel de energía más elevada.

c) Se mueven con mucha facilidad.

ENERGÍA DEL AGUA

El concepto de estado energético es tan importante o más que la cantidad de agua del suelo, pues predice el comportamiento, ya que el movimiento del agua está regulado por su energía.

ENERGÍA DEL AGUA

El agua en el suelo tiene varias energías y su medida se expresa en unidades de potencial (energía por unidad de masa).

Los tipos de energía más importantes son:

Energía potencial (es la que tiene un cuerpo por su posición en un campo de fuerza).

Energía gravitacional (es la que tiene un cuerpo en función de su posición en el campo gravitacional).

Energía cinética (debida al movimiento).

Energía calorífica.

Energía química.

Energía atómica.

Energía eléctrica.

ENERGÍA DEL AGUA

La energía libre será la suma de todas estas energías.

Energía libre = Ep + Eg + Ec + Ecal + Eq + Ea + Ee +..

Entonces

ENERGÍA DEL AGUA

Un cuerpo se puede desplazar o quedar en reposo.

El grado de energía de una sustancia representa una medida de la tendencia al cambio de ese cuerpo.

Las sustancias sufren cambios para liberar y disminuir su energía.

Energía libre = Ep + Eg + Ec + Ecal + Eq + Ea + Ee +..

Como resultado de estas energías

ENERGÍA DEL AGUA

Potencial mátrico (Ψm).

Potencial soluto u osmótico (Ψo ó s).

Potencial de presión (Ψp)

Al conjunto de fuerzas que retienen el agua del suelo se llama potencial de succión.

Tenemos

Por lo tanto Ψ suelo = Ψm + Ψp + Ψo ó s

ENERGÍA DEL AGUA

También puede definirse igualmente como compuesto por campos de fuerzas externas tales como la gravedad.

Por lo tanto tenemos

Ψ suelo = Ψm + Ψp + Ψo ó s + Ψg

ENERGÍA DEL AGUA

El potencial de succión tiene un sentido negativo, mientras que el potencial gravitacional tiene signo positivo y tiende a desplazar el agua a capas cada vez más profundas.

Cuando el potencial de succión es mayor que el potencial gravitacional, el agua queda retenida en los poros del suelo,

Y cuando el potencial de succión es menor que el gravitacional, el agua se desplaza hacia abajo.

Y acontece que:

POTENCIAL MÁTRICO

Molécula de AGUA con carácter DIPOLAR

Atracción de molécula de AGUA por ADSORCIÖN

Partículas de suelo con cargas SUPERFICIALES

POTENCIAL MÁTRICO

N

N

N

N

N

N

N

N

Nn

Potencial matricial es debido a dos fuerzas, adsorción y capilaridad.

La atracción por adsorción se origina como consecuencia de superficie de sólidos descompensados eléctricamente.

Las moléculas del agua actúan como dipolos y son atraídas, por fuerzas electrostáticas, sobre la superficie de las partículas de los constituyentes del suelo.

N

N

N

N

POTENCIAL MÁTRICO

En esta zona existe fuerte atracción

N

n

N

n

N

N

N

N

N

N

+ - H2OExiste una atracción débil

Potencial del agua es muy bajo

El agua tiene menos capacidad de trabajo.

En esta zona el Ψm = (-)

Las fuerzas capilares son débiles. Potencial del agua más alto En esta zona el Ψm = 0

POTENCIAL MÁTRICO

En esta zona existe fuerte atracción

N

n

N

n

N

N

N

N

N

N

+ - H2OExiste una atracción débil

“Cuanto más bajo es el potencial de agua, más firmemente es ADSORBIDA EL AGUA a las partículas del suelo.

POTENCIAL DE PRESIÓN

La presión del agua disminuye con el incremento de la distancia sobre la superficie de la NAPA FREÁTICA

-20

-10

0

+10

+20

Tubo capilar

Suelo SATURADO

Suelo NO SATURADO

Columna de SUELO

Película de agua continua

Alta PRESIÓN


Suelo SATURADO

Columna de SUELO

-20

-10

0

+10

+20

Tubo capilar

Suelo NO SATURADO


Si esta base fuera de 100 cm2

Fuerza 2000 gP = -------------------- = ------------------ = 20 g.cm-2

Área 100 cm2


Suelo SATURADO

Columna de SUELO

-20

-10

0

+10

+20

Tubo capilar

Suelo NO SATURADO


En este caso la PRESIÓN del AGUA en un suelo NO SATURADO es de -20 g.cm-2 a una altura de 20 cm.


En este caso la PRESIÓN del AGUA en un suelo NO SATURADO es de -20 g.cm-2 a una altura de 20 cm.

Entonces

En un suelo NO SATURADO podemos realizar las siguientes aseveraciones:

En un suelo NO SATURADO el agua tiene una presión negativa, o se encuentra bajo TENSIÓN.

En un suelo NO SATURADO la presión del agua disminuye con el aumento de la distancia arriba de la SUPERFICIE de la NAPA FREÁTICA.

En un suelo SATURADO el agua tiene una presión menor y un NIVEL de ENERGÍA, a nivel del AGUA FREÁTICA con relación al suelo no saturado.

POTENCIAL OSMÓTICO

Potencial osmótico es debido a las sales. Cuando se ponen en contacto dos líquidos de diferente concentración la disolución más concentrada atrae al agua para diluirse. Sólo es importante en el caso de suelos salinos.

Fase Sólida

Fase Gaseosa

Fase Líquida

AGUA

+SALES

SOLUBLES

POTENCIAL OSMÓTICO

En 2 sitios electronegativos CATIONES

En 2 sitios electropositivos ANIONES

Ca2+

Mg2+

K+

Na+

Al3+

H+

Cu2+

Mn2+

Fe3+

Fe2+

etc.

SO4=

CO3=

NO3-

Cl-

Etc.

Fase Sólida

Fase Gaseosa

Ψo De la HIDRATACIÓN de IONES en la solución del suelo

Resulta

Ψo Viene a serEl TRABAJO requerido para separar el agua de estos IONES.

PRESIÓN OSMÓTICO

Equilibrio HIDROSTÁTICO

POTENCIAL GRAVITATORIO

•

•

Nivel FREÁTICOEl agua tiene MOVIMIENTO LIBRE

Ψg + Ψm = 0

Punto de referencia

Altura elegida Ψg ( - )

Altura elegida Ψg ( + )

De manera general

El Ψ del agua puede ser expresado en diferentes unidades.

La UNIDAD OFICIAL aceptada por las publicaciones científicas es el MEGA PASCAL (MPa).

Todavía es común el uso del término antiguo bar que equivale a 0.1 Mpa y es algo menor que una ATMÓSFERA.

Para simplificar usaremos el término BAR ó ATMÓSFERA.

TENSIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO (THS)

La PRESIÖN NEGATIVA de 20 g.cm-2 (del ejemplo anterior) se convierte en una tensión de humedad (THS) de 20 g.cm-2.

(Presión del agua) * (-1) = Tensión de Hº del suelo (THS)

La tensión del suelo comúnmente se expresa en ATMÓSFERAS.

1 atmósfera = a una columna de agua de 1036 cm de altura = 1036 g.cm-2.

Para convertir la THS de la parte superior de la columna anterior a atmósferas hay que dividir 20 entre 1036.

TENSIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO (THS)

20 g.cm-2

THS = ------------------------- = 0.01 Atmósferas

1036 g.cm-2

Si es BAR casi equivale a una atmósfera, su valor es de 1023 cm de columna de agua.

Para que una raíz pueda mover el agua del suelo a su interior debe ejercer una tensión o succión superior a 0.019 ATMÓSFERAS

ENTONCES

TIPOS DE AGUA EN EL SUELO

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

10 000 Atm

31 Atm 1/3 Atm

TIPOS DE AGUA EN EL SUELO

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

10 000 Atm

31 Atm

PMP

1/3 Atm

CC1 000 Atm

TFA

15 Atm

PMTN

N

N

N

N

N

N

N

Agua de ADHESIÓN

(fuertemente retenida)

Agua de COHESIÓN

(fuertemente retenida)

Agua de COHESIÓN

(débilmente retenida)

Exceso de agua drena hacia afuera

NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO10 000

Atm31 Atm 15 Atm 1/3 Atm 0 Atm

0 % 15 % 25 % 50 %

Tipos de

agua

Constantes de

HUMEDAD

Agua HIGROSCÓPICA

Agua de COHESIÓN

Agua disponible para las plantas Agua

GRAVITATORIA

Secado al HORNO

Punto de MARCHITAMIENTO

Capacidad de CAMPO

SATURACIÓN

Coeficiente HIGROSCÓPICO

NIVELES CRÍTICOS DEL AGUA EN EL SUELO

Agua de COHESIÓN


GRAVITATORIA

Tipos de

agua

10 000 Atm

31 Atm 15 Atm 1/3 Atm 0 Atm

0 % 15 % 25 % 50 %

Agua HIGROSCÓPICA

Secado al HORNO


Capacidad de CAMPO

SATURACIÓNCoeficiente

HIGROSCÓPICO

Es el contenido de HUMEDAD que retiene el suelo a una tensión de -31 atmósferas.


Agua de COHESIÓN


GRAVITATORIA

Tipos de

agua

10 000 Atm


0 % 15 % 25 % 50 %

Agua HIGROSCÓPICA

Secado al HORNO


Capacidad de CAMPO


HIGROSCÓPICO

Es el contenido de HUMEDAD del suelo en el cual la planta se marchita, el agua en el suelo en este punto es retenido a una tensión de -15 atmósferas.


Agua de COHESIÓN


GRAVITATORIA

Tipos de

agua

10 000 Atm


0 % 15 % 25 % 50 %

Agua HIGROSCÓPICA

Secado al HORNO


Capacidad de CAMPO


HIGROSCÓPICO

Es el contenido de HUMEDAD del suelo luego de que sus macroporos han drenado completamente; se llega a esta condición de humedad luego de dejar de drenar el suelo saturado entre 24, 48 y 72 horas. el agua está retenida a tensiones comprendidas entre -0,1 y 0,3atmósferas.


Agua de COHESIÓN


GRAVITATORIA

Tipos de

agua

10 000 Atm


0 % 15 % 25 % 50 %

Agua HIGROSCÓPICA

Secado al HORNO


Capacidad de CAMPO


HIGROSCÓPICO

Es la cantidad de agua del suelo que ha rebasado la CAPACIDAD de CAMPO.

En un suelo con buen drenaje se le denomina AGUA GRAVITACIONAL, por que el agua percola a través del perfil.

En un suelo con deficiencia de drenaje se denomina AGUA DE INUNDACIÓN.


Agua de COHESIÓN


GRAVITATORIA

Tipos de

agua

10 000 Atm


0 % 15 % 25 % 50 %

Agua HIGROSCÓPICA

Secado al HORNO


Capacidad de CAMPO


HIGROSCÓPICO

Es la cantidad de agua en el suelo retenida entre el punto de marchitez y la capacidad de campo.

Viene a ser la máxima cantidad de agua que puede extraer las plantas del perfil del suelo.

También se le denomina AGUA UTIL.


CC 33 KPa (0.33 Atm.)

PM 1,5 MPa (15 Atm)

INFLUENCIA DE ALGUNAS PROPIEDADES DEL SUELO EN LA CANTIDAD DE AGUA UTIL

La ESTRUCTURA

Como

La TEXTURA

En la cantidad de AGUA ÚTIL

Influyen

La ESTRUCTURA

Su importancia en el contenido de capacidad de campo, porque, la presencia de grietas, fisuras y canales pueden determinar en la cantidad de agua retenida

Manifiesta


Tipo de TEXTURATipo de TEXTURA % cc% cc% pmt % pmt

(15 Atm)(15 Atm)

%%

Promedio Promedio CCCC

%%

Promedio Promedio PMTPMT

%%

Agua útilAgua útil

Arena gruesaArena gruesa

Arena finaArena fina

Limo arenosoLimo arenoso

FrancoFranco

Limo arcillosoLimo arcilloso

ArcillosoArcilloso

9 – 109 – 10

15 – 2015 – 20

20 – 2520 – 25

25.725.7

25 – 3025 – 30

30 – 4030 – 40

2 – 52 – 5

5 – 75 – 7

66

1010

13 – 1513 – 15

23 – 2723 – 27

9.59.5

17.517.5

22.522.5

25.725.7

27.527.5

3535

3.53.5

66

66

1010

1414

2525

66

11.511.5

16.516.5

15.515.5

13.513.5

1010


El AGUA ÚTIL puede incrementarse ligeramente aumentando M. O. al suelo.

En Inglaterra se realizó 93 aplicaciones de ESTIÉRCOL de 35 Mg.ha-1.

Aumentó el AGUA ÚTIL en la capa arable de 0 – 25 cm de profundidad en 18 mm.

Esto equivale a 180 m3.ha-1. en un suelo Franco Arenoso.

Otro experimento: han incorporado 50 Mg.ha-1 de estiércol en capa arable de 0 a 15 cm de profundidad, durante 9 años en un suelo Franco Arenoso.

Incrementó el AGUA ÚTIL en la capa arable de 0 – 15 cm de profundidad en 5 mm.

Esto equivale a 50 m3.ha-1. en un suelo Franco Arenoso.


MOVIMIENTO DEL AGUA EN EL SUELO


N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

TEXTURA FRANCO ARCILLOSO

Esta TEXTURA tiene más cantidad de MICROPOROS.

El rozamiento de las paredes del microporo disminuye la velocidad y la presión del agua

Cuanto más pequeño son los tubos capilares existe más reducción de velocidad y presión, o sea, más pérdida de movimiento de agua.


N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

TEXTURA FRANCO ARCILLOSO

Esto permite moverse más lateralmente o en diferentes direcciones al agua.

O sea, a mayor presencia de tubos capilares el movimiento del agua es lateralmente.


N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

TEXTURA FRANCO ARENOSO

En cambio en tubos capilares gruesos existen burbujas de aire.

Esto no permite que el agua fluya por el suelo lateralmente.

MEDICIÓN DEL AGUA EN EL SUELO

Existen cuatro (4) métodos comunes:

1) Medidas gravimétricas

2) Medidas potenciométricas

3) Medidas bloques de resistencia

4) Medidas de sondas de neutrón

MÉTODO GRAVIMÉTRICO

Mide el % de peso del suelo que corresponde al agua

Como peso base se pesa la muestra con toda la humedad y se seca en el horno a 105 ºC por 24 horas

Peso mojado – Peso seco% Hº = ----------------------------------------- x 100

Peso seco

EJEMPLO DEL MÉTODO GRAVIMÉTRICO

Se toma una muestra después de dos días de una intensa lluvia

Muestra mojada = 150 g

Muestra seca = 127 g

150 g – 127 g% Hº = ----------------------- x 100 = 18 %

127 g


Volumen BASE:

Se utiliza la densidad del suelo y del agua, si el suelo tuviera 1,5 g.cm-3 de densidad

Dap% H2O por volumen = % H2O por peso x ---------

DH2O

18 x 1,5 = 27 % de H2O

Entonces el 27% del volumen del suelo es ocupado por H2O o sea casi el 50% del ESPACIO POROSO


En una ha a una profundidad de 20 cm tendremos:

M.S. = 10 000 m2 x 1,5 Mg.m-3 x 0,20 m = 3 000 000 Kg

M.S. = 3 000 000 kg de suelo

3 000 000 x 0,27 = 810 000 Litros de agua


También este porcentaje de humedad volumétrica puede ser expresado en lámina de agua, que es muy util en el suministro de riego

% volumenL = -------------------------- x h

100

Donde: L = lámina de agua

h = espesor del suelo

% Hº = (150 – 127) / 1,5 x 100 = 18 %

% Volumen 18 x 1,5 = 27 %

L = 27% / 100 x 20 cm = 5,4 cm

MÉTODO DEL TENSIÓMETRO

Mide el Ψ a la que el agua está sujeta

Actúa como una raíz artificial de esa forma mide la cantidad de agua disponible

MÉTODO DE LA SONDA DE NEUTRÓN

Es un tubo largo que contiene material radiactivo que emite un chorro de neutrones.

Es preciso pero muy costoso

8. agua del suelo

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