final
DESCRIPTION
HidrologíaTRANSCRIPT
Instituto Tecnológico de
Chetumal
Ingeniería Civil
Hidrología Superficial
Tema: Unidad I
Presenta:
Alan Edgardo Rios Palacios
Eliezer Emmanuel Catzin Sansores
Marco Antonio Canul Chimal
Miguel Antonio Castillo Sosa
Rony Hans Catzim
Osorio
Asesor: Ing. Epigmenio Moreno Luna
Grupo: VA Fecha: 03/03/15
Índice……………………………………………………………………………….....
Introducción…………………………………………………………………………..
Marco Teórico………………………………………………………………………...
Escurrimiento……………………………………………………………………………....…
Aforo de Corrientes……………………………………………………………….....…….….
Descripción del Escurrimiento……………………………………………………………..…
Construcción de
Hidiogramas………………………………………………………………....
Análisis de
Hidiogramas……………………………………………………………………....
Volumen
Escurrido……………………………………………………………………………
Infiltración…………………………………………………………………………………….
Descripción…………………………………………………………………………………...
Medición………………………………………………………………………………….......
Infiltración en un Punto……………………………………………………………………….
Infiltración en una
Cuenca…………………………………………………………………….
Conclusión………………………………………………………………………….....
Bibliografía……………………………………………………………………….......
2
2
3
4
4
5
8
8
10
13
14
14
15
24
29
34
35
Introducción
La hidrología es una ciencia que nos permite estudiar el agua que hay sobre la superficie
terrestre teniendo en cuenta todas sus interacciones en nuestro planeta. Para nosotros como
ingenieros civiles nos sirve de mucho conocer el comportamiento del agua debido a los
cambios que nuestro planeta está teniendo. Es imprescindible pronosticar y predecir la
oferta de recursos hídricos para el presente y el futuro. En este trabajo de destaca los
conceptos de infiltración y escurrimiento mostrando una definición desarrollada para ser
entendida con claridad.
La hidrología aborda muchos procesos físicos que involucran tantas variables, con
frecuencia es necesario partir de un conjunto de hechos observados y mediante análisis
definir a estos.
El escurrimiento y la infiltración son dos temas muy importantes en la hidrología y a
continuación conoceremos más sobre ello, teniendo así una breve idea de lo que se trata y
como es relacionado con la hidrología.
3
Marco teórico
Escurrimiento
Es el agua producto de la precipitación que fluye por las corrientes provenientes de diversas
fuentes y que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para ser
finalmente drenada hasta el final de la cuenca.
El agua de la precipitación llega primero a los objetos que están sobre la superficie del
terreno, como son los árboles, casas, cultivos, pasto, rocas, etc. En estos lugares parte de la
lluvia es interceptada, y parte llega al suelo, en donde se infiltra para llenar las depresiones
topográficas y se va acumulando en el terreno hasta saturar el terreno y fluir
superficialmente por las laderas hacia los cauces.
Todas las particularidades de un régimen de lluvia se producen en la circulación de las
aguas, por lo que las corrientes son afectadas principalmente por los siguientes factores:
Precipitación
Características fisiográficas
Uso del suelo y cobertura vegetal
Condiciones hidrológicas antecedentes
Se podría definir tres zonas donde se presenta el escurrimiento, que son:
Escurrimiento superficial, el cual está compuesto por el que escurre tanto por el
terreno como por los arroyos y ríos.
4
Escurrimiento sub-superficial, la cual se encuentra bajo la superficie del terreno,
pero cerca de ella y que se encuentra en la zona de saturación del subsuelo.
Escurrimiento subterráneo, es aquella agua que logra infiltrarse en el terreno hasta
niveles inferiores al nivel freático o zona de saturación.
Aforo de corrientes
Este se lleva a cabo con la finalidad de determinar el caudal que se presenta en un cauce, ya
sea por el escurrimiento directo o base, se hace en puntos de interés.
Existen varios métodos para aforar corrientes, de los cuales los más utilizados son:
Sección de control.- una sección de control en una corriente es aquella donde existe
una relación única entre el tirante del agua y el gasto, por lo que es necesario
revestir el cauce en un tramo de éste para evitar que se pueda alterar la forma de la
sección y la pendiente de dicho tramo. Una ventaja de utilizar éste método es que
5
solo se requiere conocer el nivel del agua y la forma de la sección, para determinar
el gasto. Entre las desventajas están el costo elevado de construir la sección en ríos
caudalosos y que a veces al estrechar el cauce para tener la sección de control, se
restringe el transporte de objetos arrastrados por la corriente que pueden obstruir la
sección, recomendándose éste método para cuencas experimentales o en ríos u
arroyos de sección pequeña.
Relación sección-pendiente.- consiste en la determinación del gasto a partir de la
fórmula de Robert Manning, siendo necesario que se realice en un tramo lo más
recto posible y con sección aproximadamente similar en sus longitudes.
6
Donde:
V= velocidad media del agua, (m/s)
Rh= radio hidráulico medio del tramo (m)
S= pendiente media del tramo del cauce
Los valores del radio hidráulico promedio se obtienen de un levantamiento topográfico de
los extremos del tramo de aforo, por medio de la definición de las áreas hidráulicas (A) y
sus respectivos perímetros mojados (P), es decir:
Y de la misma forma se obtiene la pendiente media del tramo.
Finalmente el gasto se determina por medio de la ecuación de continuidad, como el
producto de la velocidad media y del área promedio de ambas secciones.
Esté método generalmente se utiliza para conocer el gasto que pasó por un determinado
tramo de un cauce, utilizando las huellas o marcas que ha dejado el agua a su paso en los
taludes del cauce.
Relación sección-velocidad.- este método consiste en determinar la velocidad media
del flujo en el cauce y multiplicar por el área hidráulica de una sección determinada
de antemano. Para determinar la velocidad media del flujo se pueden utilizar varios
procedimientos, uno de ellos consiste en dividir la sección de aforo del cauce por
medio de una cuadrícula o franjas y en cada uno de ellas se mide la velocidad por
medio de un molinete. Otro procedimiento es por medio de flotadores, ya sea
superficiales o combinados, procediendo a seleccionar un tramo recto del cauce, se
mide la longitud entre sus extremos y se suelta el flotador en el inicio del tramo
(aguas arriba) y se toma el tiempo que tarda en llegar a la sección final del tramo
(aguas abajo), procediendo a dividir la longitud del tramo entre el tiempo medido, lo
7
cual nos proporciona la velocidad promedio del tramo, que al multiplicar ésta última
por el área de la sección de aforo proporciona el gasto del flujo. Existen algunas
variantes al procedimiento anterior, ya que se puede utilizar en lugar de los
flotadores, la medición de la conductividad original del agua y posteriormente
incrementarla por medio de agregar sal en la sección inicial y medir, por medio de
un conductímetro, el momento en que llega el agua con mayor cantidad de
conductividad, es decir cuando llegue el agua con sal; la principal ventaja de ésta
variante es que el flujo no se ve afectado por la presencia de un objeto extraño como
es el flotador, el cual es afectado por la fricción con el aire en la interface de la
superficie libre del agua; su principal desventaja es que requiere contar el
conductímetro. Otra variante es utilizando colorante vegetal el cual se agrega en la
sección inicial y medir el tiempo en que tarda en llegar el agua coloreada a la
sección final.
Descripción del escurrimiento
El flujo superficial se realiza en forma rápida, sobre todo comparado con el subterráneo,
que es lento, sin embargo el superficial puede ser sólo un poco menos rápido que el
superficial o tan lento como el subterráneo, dependiendo de las condiciones del suelo. Por
esta razón se ha clasificado al escurrimiento, en términos de su rapidez, en dos clases que
son:
Escurrimiento directo.- es aquel que se forma por los flujos de superficie y
subsuperficial rápido, es decir aquel que tiene una respuesta rápido a la lluvia y que
se considera como el resultado de la lluvia efectiva o en exceso.
Escurrimiento base.- es el formado por el flujo subsuperficial lento y el subterráneo,
es decir es el que no depende esencialmente de la presencia de la lluvia.
Construcción de hidrogramas
Es la representación gráfica de la variación del gasto que pasa por una sección de cauce,
con respecto al tiempo.
8
El primero corresponde a intervalos de tiempo relativamente grandes, donde se han tenido
varios periodos de lluvia y el segundo corresponde a los valores instantáneos de gasto de
una avenida aislada producto de una tormenta.
En el segundo hidrograma (debido a una avenida aislada) se puede observar en la figura
que a partir del punto A (punto de levantamiento), se inicia el escurrimiento directo
producto de una tormenta, alcanzando su gasto máximo en el punto B.
El punto C es un punto de inflexión donde aproximadamente cesa el flujo por tierra y el
punto D finaliza el escurrimiento directo, continuando el escurrimiento base.
El tramo CD es la curva de vaciado del escurrimiento directo producto de la tormenta.
Conforme a lo anterior los puntos marcados se definen como:
Tiempo pico.- Es el tiempo que transcurre entre los puntos A y B.
Tiempo base.- Es el lampo de tiempo entre los puntos A y D.
9
Tiempo de retraso.- Es aquel que trascurre desde el centro de masa de la lluvia al
pico del hidrograma.
En la figura 4.3 se muestran los cuatro tipos de hidrogramas, considerando una corriente.
Tipo 1. Para este tipo de hidrograma, la intensidad de lluvia (i), es menor que la capacidad
de infiltración (f) y la infiltración total (F) es menor que la deficiencia de humedad del
suelo (DHS).
Por la primera condición, no hay escurrimiento directo y por la segunda no hay recarga del
agua subterránea. Esto quiere decir que el hidrograma del río no se altera por esta tormenta
y solo seguirá la curva de vaciado del agua subterránea, que es el hidrograma del
escurrimiento base, el cual existe porque el cauce es perenne.
Lo único que originó la tormenta fue modificar la deficiencia de humedad del suelo. El
10
hidrograma resultante es similar al que tiene una corriente perenne en época de sequía.
Tipo 2. En este caso i es menor que f, pero la infiltración total es mayor que la DHS. Esto
ocasiona un incremento o recarga del agua subterránea, originando un cambio en el nivel
freático.
Al no haber escurrimiento directo, el hidrograma correspondiente resulta una variación de
la curva de vaciado del escurrimiento base. Esta variación puede ser de tres formas:
a) Cuando la recarga del agua subterránea ocasiona un gasto superior al que está circulando
durante la tormenta, se origina un ascenso en el hidrograma (segmento ab).
b) La recarga del agua subterránea origina un gasto similar al drenado por el cauce.
Entonces el hidrograma es una línea horizontal hasta que cesa el efecto (segmento ac).
c) El gasto producido por la recarga del agua subterránea es menor que el drenado en el
momento de ocurrir la tormenta. Se tendrá un hidrograma con pendiente negativa, aunque
los gastos son superiores a los originados por la curva de rescisión del agua subterránea
(segmento ad)
Tipo 3. La i es mayor que la capacidad de infiltración y la infiltración total es menor que la
DHS. Por la primera condición se tendrá escurrimiento directo; de la segunda se deriva que
no hay recarga del agua subterránea, por lo que el escurrimiento base no se altera.
Tipo 4. Finalmente si i es mayor que la f, y F es mayor que la DHS, se tendrá escurrimiento
directo y una variación en el escurrimiento base. Este hidrograma es una combinación de
los tipos 2 y 3 por lo que, similarmente a este último, se tendrán tres formas diferentes de
hidrogramas.
Análisis de hidrogramas
El análisis del hidrograma de una avenida tiene una forma típica, que a pesar de que puede
variar en sus detalles de una cuenca a otra y de una tormenta a otra, se pueden identificar
las siguientes partes que lo conforman, según la figura 4.4:
11
A.- Punto de levantamiento.- en este punto, el agua proveniente de la tormenta bajo análisis
comienza a llegar a la salida de la cuenca y se produce inmediatamente después de iniciada
la tormenta, durante la misma o incluso cuando ya ha transcurrido algún tiempo después de
que ceso de llover, dependiendo de varios factores entre los que se pueden mencionar: el
tamaño de la cuenca, su sistema de drenaje y suelo, la intensidad y duración de la lluvia,
etc.
B.- Punto de cambio de pendiente en el hidrograma de ascenso.- este punto nos indica la
disminución o terminación de la precipitación en exceso.
C.- Pico.- es el gasto máximo que se produce por la tormenta, con frecuencia es el punto
más importante de un hidrograma para fines de diseño.
D.- Punto de inflexión.- en este punto es aproximadamente cuando termina el flujo sobre el
terreno y de aquí en adelante lo que queda de agua en la cuenca escurre por los canales y
como escurrimiento subterráneo.
E.- Final del escurrimiento directo.- de este punto en adelante el escurrimiento es sólo de
origen subterráneo. Normalmente se acepta como el punto de mayor curvatura de la curva
de recesión aunque pocas veces se distingue de fácil manera.
Tp.- Tiempo pico.- es el tiempo que transcurre desde el punto de levantamiento (A) hasta el
pico del hidrograma (C).
Tb.- Tiempo base.- es el tiempo que transcurre desde el punto de levantamiento (A) hasta el
punto final del escurrimiento directo (E). Es entonces el tiempo que dura el escurrimiento
directo.
12
El análisis del hidrograma de una avenida aislada, se realiza fundamentalmente para
encontrar su relación con la tormenta que lo produce. En este sentido, lo primero que se
requiere es separar el escurrimiento directo, del escurrimiento base.
La figura anterior muestra la separación de los dos escurrimientos en un hidrograma. Los
métodos más utilizados para trazar la frontera entre el escurrimiento directo y la base son:
Método a. La frontera se define trazando una recta horizontal que parte del punto de
inflexión que muestra el inicio del escurrimiento directo y llega hasta donde corta al
hidrograma, ver figura 4.4.
Método b. La frontera se define trazando una recta entre los puntas A y E. Para encontrar el
punta E se obtiene la curva de vaciado del escurrimiento base, analizando primero una serle
de hidrogramas y seleccionando tramos en los que sólo exista escurrimiento base figura 4.5.
La curva de vaciado deducida se superpone al hidrograma por analizar haciéndola coincidir
en el extremo derecho y se determina el punto E como aquel en que la curva se separa del
hidrograma como lo muestra en la figura siguiente:
Método c. La frontera se define mediante los siguientes pasos:
• Se traza una horizontal a partir del punto de inflexión A, hasta la proyección del punto C
que corresponde al gasto máximo (punto C’ de la figura 4.6)
• Se calcula N por medio de la expresión:
N = 0.827 * A0.2 (4.3)
13
Donde: A = es el área de la cuenca hidrológica, en km2
N = es el tiempo de vaciado de la cuenca, en días
• A partir del punto C’ se toma una distancia horizontal igual a –N para definir el punto E
• Se traza una recta entre C’ y E.
La selección del método depende de consideraciones subjetivas basada en la precisión que
se requiera del número de hidrogramas por analizar, etc.
Volumen escurrido
El análisis de escurrimientos puede enfocarse a eventos definidos en intervalos
relativamente grandes, esto es, a los escurrimientos mensuales o a eventos extraordinarios
que ocurren en intervalos de tiempo relativamente cortos, por ejemplo, gastos máximos
durante la época de avenidas. Existen varios análisis estadísticos que pueden realizársele a
una serie de datos de escurrimiento en donde uno de los más importantes, es el análisis
estadístico de gastos máximos.
ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE GASTOS MÁXIMOS. Este tipo de análisis de gastos
máximos permite estimar la probabilidad de que un determinado valor del gasto sea
alcanzado o sobrepasado al menos una vez durante la vida útil de la estructura en estudio.
El procedimiento es el siguiente:
14
1.- Del registro histórico de escurrimientos, se selecciona el valor del gasto máximo de cada
año.
2.- Los valores seleccionados se ordenan de mayor a menor y se les asigna un número de
orden i, tal que i = 1, para el valor mayor; i = 2, el siguiente y así sucesivamente hasta que i
= N, para el menor (N es el número de años del registro). Los valores así ordenados se
designan con Tm.
3.- Se estima el período de retorno correspondiente a cada valor por medio del inverso de la
expresión de Weibull.
4.- Se estima la probabilidad de que en un año cualquiera el gasto máximo sea menor que
cada valor Tm, mediante la ecuación:
5.- Con base a estos valores se ajusta alguna función de las ya mencionadas en el inciso
3.6.3 y se grafican. Se recomienda utilizar la función Gumbel.
Infiltración
Descripción
El análisis de la infiltración en el ciclo hidrológico es de importancia básica en la relación
entre la precipitación y el escurrimiento.
Se define como el movimiento del agua, a través de la superficie del suelo y hacia adentro
del mismo, producido por la acción de las fuerzas gravitacionales y capilares.
Se puede decir que la infiltración es uno de los procesos de importancia para el ciclo
hidrológico, ya que a consecuencia de ello, el agua penetra desde la superficie del terreno
hacia el suelo. En una primera etapa satisface la deficiencia de humedad del suelo en una
zona cercana a la superficie, y posteriormente superado cierto nivel de humedad, pasa a
formar parte del agua subterránea, saturando los espacios vacíos. Pero el suelo no puede
absorber toda el agua que cae de la precipitación, por lo que al llegar a su capacidad
15
máxima de absorción comienza a almacenarse por encima de la superficie y comienza a
ocurrir otros de los procesos el cual se le denomina escurrimiento.
El agua no puede continuar entrando en el suelo con mayor rapidez que la de su
transmisión hacia abajo, ya que depende de la capacidad de infiltración, además de estar
relacionada con el tamaño del poro y su distribución, el tipo de suelo arenoso, arcilloso, la
vegetación, la estructura y capas de suelos.
En general, las pérdidas están constituidas por la intercepción en el follaje de las plantas y
en los techos de las construcciones, la retención en depresiones o charcos (que
posteriormente se evapora o se infiltra), la evaporación y la infiltración.
El proceso de infiltración puede describirse de la siguiente manera:
Supóngase que, al inicio de una tormenta, el suelo está de tal manera seco que la cantidad
de agua que puede absorber en la unidad de tiempo (es decir, su capacidad de infiltración)
es mayor que la intensidad de la lluvia en esos primeros instantes de la tormenta. Bajo estas
condiciones, se infiltraría toda la lluvia, es decir:
7.1.2 Descripción del proceso de infiltración
si i < fp'; f=i
donde
f = infiltración, expresada como lámina por unidad de tiempo, por ejemplo, mm/h.
fp'; = capacidad de infiltración; en las mismas unidades.
i=intensidad de la lluvia.
Si al avanzar el tiempo, y las lluvias siguen siendo más intensas, entonces el contenido de
humedad del suelo aumenta, de tal manera que comienzan a producirse encharcamientos en
la superficie y el terreno llega a su máximo grado de saturación, y comienza el flujo sobre
la misma.
Medición
La filtración ocurre cuando aguas procedentes de las precipitaciones o de almacenes
superficiales (como ríos y lagos), inicien un movimiento descendente adentrándose en el
subsuelo, pudiendo alcanzar diferentes profundidades en función de las condiciones. Ahora
bien para medir este efecto de infiltración y los cambios de la condición hidráulica del
medio se utilizara los siguientes métodos:
16
Tales métodos nos permitirán hacer un posible estudio del comportamiento de este efecto
de infiltración como se presenta.
La obtención del valor de la infiltración, o capacidad de infiltración, depende de
mediciones volumétricas y de área en un determinado tiempo; para ello se consideran las
situaciones siguientes:
1. Mantener en un área muy reducida una lámina de agua fija definida sobre la superficie
del terreno durante un intervalo de tiempo;
2. Medir en un área reducida la variación en el tiempo de una lámina inicial;
3. Emplear en un área reducida un simulador de lluvia;
4. Hacer una medición de la variación de la tensión mátrica y/o del contenido de humedad
en una zona extensa cuando se presentan las lluvias;
5. A nivel cuenca, se puede estimar un valor representativo de infiltración a través del
análisis de hidrogramas.
Estas situaciones nos permiten llevar el siguiente paso.Para los puntos 1 y 2, es muy común
el uso del infiltrómetro, ya sea de cilindro simple o de doble cilindro.
Se utiliza un cilindro de algún material rígido, pero que sus paredes no sean de espesor
considerable, para evitar perturbar demasiado la superficie del terreno.
Los cilindros utilizados pueden ser de hierro o de acero. Sin embargo, si tenemos en
consideración la elevada pedregosidad de los suelos, en la mayoría de las ocasiones no será
aconsejable utilizar los cilindros de acero. Aunque si lo piensas un poco seguro que
encuentras algunas condiciones (tipo de suelo, técnica de manejo, cubierta vegetal).
Una parte del cilindro se entierra lo suficiente para evitar que el agua que se vierta en su
interior alcance la superficie del terreno.
17
Por su parte, si se mantiene una lámina constante de agua dentro del cilindro, entonces se
debe de implementar un dispositivo de medición de volúmenes como el mostrado en la
figura
Por otro lado, si se emplea la variación de una lámina inicial (volumen inicial conocido) en
el tiempo, se debe de contar con un dispositivo adecuado para ello, como el mostrado en la
figura.
De acuerdo con Dingman (1994) generalmente, el diámetro del cilindro debe ser mayor a
0.15 m. Un inconveniente del cilindro simple es la posibilidad de que el flujo lateral dentro
del medio donde se lleva a cabo la prueba sea más importante que la componente vertical.
Para evitar esta situación se utiliza el infiltrómetro de doble cilindro: se colocan de manera
concéntrica dos cilindros de diámetros diferentes (Dingman, 1994, sugiere 1.0 m para el
interior y 1.2 m para el exterior); el agua se vierte primero en el anillo que se forma entre
las paredes del cilindro exterior y del interior, de modo que se establezca una frontera de
humedad que evite que el agua infiltrada en el cilindro interior se mueva en forma lateral.
18
Para la medición de la magnitud de la infiltración en un área reducida se propone el uso de
un simulador de lluvia, es decir, un dispositivo que funciona como una regadera; sin
embargo, la distribución y tamaño de los orificios depende de las características de las
lluvias que se presenten en la zona. Esto implica contar con una información muy
específica, que difícilmente se puede obtener (tamaño representativo de las gotas de lluvia).
En la situación que se menciona en el punto 4 se pueden utilizar tensiómetros y/o bloques
de yeso; también se pueden obtener muestras de suelo en diferentes tiempos (esto último
para estimar la variación del contenido de humedad).
Los instrumentos se colocan en diversos puntos de una extensión de terreno a diferentes
profundidades antes de cualquier evento de lluvia, registrando en intervalos de tiempo
definidos, las variaciones en las mediciones. Al presentarse una lluvia, se podrá obtener la
variación espacial de los valores de infiltración.
Procedimiento del método de Infiltrómetros
Deberán tomarse en consideración los siguientes aspectos:
• Elección de la ubicación de los anillos
• Colocación, llenado de agua y toma de medidas
• Cálculo de la conductividad hidráulica (K) con los datos obtenidos
La bondad de los datos y la fiabilidad de los resultados obtenidos dependen en gran medida
de la idoneidad del lugar elegido para su realización y de la conveniencia de la metodología
usada. Los aspectos más relevantes a consideran en relación a la ubicación de los anillos
son los siguientes:
1.- Debes encontrar una localización representativa del suelo a estudiar Esta claro que
trasladar el equipo y el agua para llenar los anillos puede resultar algo pesado, pero no seas
cómodo y ¡no te quedes en el lugar más fácil!
2- Evita ubicar los anillos en zonas compactadas. Los terrenos compactados por vehículos o
personas presentan una tasa de infiltración menor que las zonas adyacentes (sobre todo en
los suelos de textura fina).
19
3.- En los suelos ricos en arcillas expansibles no instales los anillos sobre las grietas de
expansión-contracción. Cuando la textura del terreno es fina el tamaño de los poros es muy
pequeño y la absorción del agua se ve más afectada por la estructura del suelo que en el
caso de los suelos arenosos.
Llenado de agua y toma de medidas
Es muy importante que realices estas operaciones sin alterar el suelo. No debes cambiar su
porosidad natural. Puesto que los factores determinantes de la capacidad de absorción de
los suelos son múltiples y fáciles de modificar es conveniente actuar siguiendo una serie de
normas básicas:
1- Colocar los anillos sobre la ubicación elegida comprobando que no queden ni piedras ni
raíces bajo el filo de ninguno de los ellos; puedan deformar los aros con facilidad.
2.- Asegurarse de que el cilindro interior esté totalmente centrado en el exterior. 3.- Clavar
los cilindros en el suelo a igual profundidad en todo su perímetro, y hacerlo además al
mismo tiempo.
4.- Clavados los anillos comenzaremos a llenar cuidadosamente de agua ambos anillos,
empezando siempre por el exterior. Resulta muy conveniente “tapizar” el suelo de, al
menos, el anillo central con arena gruesa, grava o algún tipo de plástico. De esta forma
evitaremos que el impacto directo del agua sobre el suelo desnudo provoque la
desagregación de las partículas y el sellado de los poros.
5.- Debes intentar mantener el mismo nivel del agua en el interior de ambos anillos.
¡RECUERDA! Si el nivel en el anillo exterior es mayor que en cilindro central el agua
tenderá a penetrar desde el suelo produciéndose errores de lectura.
6.- Es aconsejable realizar las medidas a intervalos regulares, ya sea de tiempo o de
descenso de la lámina de agua en el interior del cilindro; de este modo es más fácil
identificar cuándo la tasa de absorción permanece constante.
7.- Una vez alcanzada la tasa de infiltración constante es aconsejable continuar las medidas
hasta tener la absoluta certeza de que el agua está circulando por un mismo horizonte.
8.- Debido a la elevada variabilidad de los suelos y a los posibles errores asociados al
método será necesario realizar más de una medida; en cualquier caso, para estar seguros de
que todos resultados de las pruebas son correctos deberán contrastarse con otras
20
propiedades del suelo determinantes del movimiento del agua en el suelo como la textura,
la estructura, el contenido en materia orgánica, etc.
Cálculo de la conductividad hidráulica (K) con los datos obtenidos
Para calcular la conductividad hidráulica del suelo en condiciones de saturación a partir de
las medidas obtenidas durante la experiencia elaboraremos una tabla de resultados. Deberás
incluir tantas series como nº de veces hayas tenido que rellenar el anillo interior hasta
comprobar que la tasa de infiltración se ha estabilizado.
Recuerda que según la ley de Darcy, la velocidad de infiltración del agua en un medio no
saturado medido con el infiltrómetro de anillo puede indicarse mediante la siguiente
expresión:
Dónde:
v= velocidad de infiltración [LT-1]
K1 = conductividad capilar o permeabilidad insaturada [LT-1]
Ф= fuerza de succión en el frente húmedo [L]
z= distancia al frente húmedo [L]
h= altura de la columna de agua [L]
21
La influencia de Ф y h en relación a z decrece cuando z y la humedad del suelo se
incrementa, llegando un momento en que la velocidad de infiltración permanece cte. En
este momento Vcte ≈ K.
Cierre
La determinación de la conductividad hidráulica mediante el infiltrómetro de doble anillo
resulta sencilla y cómoda si conocemos las reglas básicas del procedimiento a seguir.
A) Medición de la tensión mátrica y del contenido de humedad
-Tensiómetros. Los tensiómetros son dispositivos de plástico de forma cilíndrica con una
cápsula porosa en uno de los extremos; en el otro extremo se encuentra la tapa donde se
vierte el agua y cercano a este punto se encuentra la conexión para instalar el manómetro.
Estos instrumentos no pueden medir tensiones mayores a 0.8 bar; y para lograr mediciones
adecuadas, se requiere el uso de agua sin aire o gas disueltos.
- Bloques de yeso. El uso de bloques de yeso es una forma relativamente fácil de medir la
condición hidráulica de un suelo; para ello se requiere de un molde rectangular donde se
pueda verter el yeso con las medidas siguientes: grueso del bloque, 1 cm; ancho 3 cm; largo
5 cm. Antes del vaciado del yeso, se colocan dos cables donde sus extremos tengan una
longitud de 3.5 cm sin la cubierta de plástico, con una distancia mínima de separación de
166 entre 1 y 2 cm. Para emplear los bloques se requiere de la obtención de una curva de
calibración a través del proceso descrito a continuación: en un recipiente abierto que sea
capaz de contener una muestra de suelo de al menos 2 cm de espesor que contenga al
bloque, se satura la muestra y se mide la resistencia eléctrica en el otro extremo del cable
por medio de un voltímetro; si se permite el cambio del contenido de humedad a través de
22
la evaporación o el drenado, se podrán realizar diferentes lecturas de resistencia para cada
contenido de humedad.
El contenido de humedad se obtiene por medio de la expresión siguiente:
Donde A es el peso del recipiente a saturación; y B es el peso del recipiente seco.
23
Los valores de resistencia para cada contenido de humedad se grafican y se ajusta una
curva. Al finalizar la calibración del bloque, se coloca en campo y se procede a la toma de
datos.
c) Estimación de la conductividad hidráulica y la difusividad hidráulica
Aquí se presenta el método del drenaje (referido por Hillel, 1980) para determinar la
relación de conductividad hidráulica y de la difusividad hidráulica con respecto a la tensión
mátrica y el contenido de humedad. En relación a la conductividad hidráulica se ha
encontrado que cuando tiene lugar el movimiento del frente húmedo a profundidad, el
gradiente ∂H/∂z tiende a ser 1 y la conductividad hidráulica se puede expresar como el
ritmo de drenado; si el perfil del suelo se drena de manera uniforme, el contenido de
humedad puede suponerse que es una función del tiempo y no de la profundidad, entonces
el flujo del agua, expresado por la ecuación de Richards se representa por la expresión:
Y se reduce, después de la integración, a la ecuación siguiente:
Donde θ es el contenido de humedad; θm es el contenido de humedad promedio arriba de
L, que es la profundidad; t es el tiempo; z es la coordenada vertical tomada como positiva
en el sentido de la profundidad; K es la conductividad hidráulica; H es la carga hidráulica
(suma del efecto gravitacional y de la tensión mátrica ψ medida con los tensiómetros).
Ahora bien, si se supone que la relación entre el contenido de humedad θ y la tensión
mátrica ψ es unívoca, entonces la ecuación (5.11) se puede escribir como:
Donde la difusividad D se expresa por medio de la expresión:
24
Así, la difusividad hidráulica se puede determinar únicamente por medio del cambio de la
tensión mátrica y del gradiente hidráulico. La instrumentación requerida consiste
únicamente de algunos tensiómetros colocados a diferentes profundidades. Si el drenado en
el perfil no es uniforme, entonces los valores calculados se toman a partir de valores
promedio.
Simuladores de lluvia:
Para la medición de la magnitud de la infiltración en un área reducida se propone el uso de
un simulador de lluvia, es decir, un dispositivo que funciona como una regadera; sin
embargo, la distribución y tamaño de los orificios depende de las características de las
lluvias que se presenten en la zona. Esto implica contar con una información muy
específica, que difícilmente se puede obtener (tamaño representativo de las gotas de lluvia).
En la situación de hacer una medición de la variación de la tensión mátrica y/o del
contenido de humedad en una zona extensa cuando se presentan las lluvias; se pueden
utilizar tensiómetros y/o bloques de yeso; también se pueden obtener muestras de suelo en
diferentes tiempos (esto último para estimar la variación del contenido de humedad).
Los instrumentos se colocan en diversos puntos de una extensión de terreno a diferentes
profundidades antes de cualquier evento de lluvia, registrando en intervalos de tiempo
definidos, las variaciones en las mediciones. Al presentarse una lluvia, se podrá obtener la
variación espacial de los valores de infiltración.
Infiltración en un punto
El análisis cuantitativo de la infiltración se puede llevar a cabo utilizando la ecuación de
Richards, El proceso de infiltración del agua en el suelo puede efectuarse tomando como
base la ecuación, que resulta de la combinación de la ecuación de continuidad con el campo
de velocidades calculado conforme a la ley de Darcy. La no linealidad de las propiedades
del suelo como, conductividad hidráulica K, difusión capilar D y capacidad especifica de
agua en el suelo C, ha evitado soluciones analíticas exactas, sin embargo actualmente el
modelo conceptual de mayor aceptación es el modelo Richards.
25
Considerada como el modelo matemático representativo del fenómeno del flujo en el medio
poroso no saturado, a partir de la ecuación:
La solución de la ecuación de Richards hace indispensable representarlas propiedades
hidrodinámicas representado en el potencial de presión (h) y la conductividad hidráulica
(K), como funciones del contenido volumétrico. A continuación la formula general.
Donde∇ es el operador nabla.
La solución general de la ecuación es difícil, de modo que se ha resuelto para casos muy
particulares, obteniendo así los métodos básicos para la cuantificación de la infiltración. A
continuación se presentan algunos de los métodos más representativos.
Ecuación de Horton
Una de las primeras ecuaciones de infiltración fue desarrollada por Horton en1939, quien a
partir de experimentos de campo, estableció, para el caso de un suelo sometido a una
precipitación con intensidad siempre superior a la capacidad de infiltración, una relación
empírica para representar el declive de la infiltración con el tiempo puede ser presentada de
la siguiente forma:
Dónde:
t = tiempo pasado desde la saturación superficial del suelo
k = constante de decaimiento [T-1]
It = tasa de infiltración en el tiempo t
Ii = tasa de infiltración inicial (t = 0)
Ib = tasa mínima de infiltración (asintótica).
26
El ajuste de la ecuación de Horton a datos medidos en campo permite la determinación de
los parámetros Ii, Ib y k. El parámetro Ib es fácilmente identificable en los experimentos,
porque representa la conductividad hidráulica saturada aparente del suelo (aparente porque
incluye la resistencia proporcionada por el aire comprimido en los poros del suelo natural).
El parámetro Ii también es obtenido inmediatamente de los experimentos porque es una
tasa de infiltración inicial, esto es una tasa de infiltración en el momento en que es
alcanzada la saturación superficial y comienza a haber escurrimiento (exceso) superficial,
lo que equivale a decir que Ii es igual a la intensidad de la precipitación que saturó la
superficie del suelo.
Ecuación de Philip
Philip en 1957 planteó la tasa de infiltración mediante la siguiente expresión:
Donde S es la sorptividad, que depende de la tensión mátrica ψ; K es la conductividad
hidráulica.
Asimismo, se sabe que la infiltración acumulada está relacionada con la capacidad de
infiltración a través de la ecuación:
Así que la capacidad de infiltración se expresa por medio de la igualdad siguiente
Por otra parte, si se analiza una columna de suelo horizontal, entonces se tiene:
Método de Green y Ampt
Green y Ampt en 1911 propusieron un modelo simplificado para infiltración. Este modelo
es derivado de la ecuación de Darcy a través de simplificaciones en el fenómeno de
propagación del frente húmedo en el interior del suelo. Básicamente estas simplificaciones
consisten en que el suelo es considerado totalmente saturado desde la superficie hasta la
27
profundidad del frente húmedo; abajo, el suelo continúa con la humedad previa a la
precipitación. A medida que el frente húmedo avanza se mantienen estas condiciones; en la
superficie del frente húmedo, que separa el 33 suelo saturado del no saturado, la tensión
capilar es siempre la misma, en cualquier tiempo y posición que tenga el frente.
Dónde:
f = tasa o velocidad de infiltración ,
K’ = conductividad hidráulica saturada aparente del suelo .
Considerando que: f = dF/dt , el volumen infiltrado acumulado, F, está dado por:
Dónde:
f = tasa o velocidad de infiltración [LT-1],
K’ = conductividad hidráulica efectiva del suelo [LT-1].
θ’ = θsat -θair = contenido de humedad máximo;
θsat = contenido de humedad detrás del frente húmedo, equivale al volumen de vacíos por
unidad de volumen de suelo;
θair = aire atrapado por unidad de volumen de suelo;
θi = contenido de humedad inicial del suelo.
Integrando la ecuación 3.9 de Green y Ampt, el volumen infiltrado acumulado, F, está dado
por:
DondeSf es un factor de succión-almacenamiento:
Despejando F en la ecuación 3.17 y analizando el momento de la saturación superficial se
obtiene el volumen infiltrado desde el inicio de la precipitación hasta el encharcamiento:
28
Siendo r la intensidad constante de precipitación que infiltra completamente en este
período. Esto lleva a la deducción de la siguiente expresión del tiempo de encharcamiento:
Como, f = dF/dt se puede obtener una ecuación implícita de F(t) integrando la ecuación
3.17, siendo los límites inferiores de integración .
De este cálculo se obtiene:
La ecuación permite evaluar el volumen infiltrado F para diferentes tiempos t, y por
consiguiente las tasas f, con lo que se puede determinar el hietograma de precipitación
efectiva a partir de un hietograma de precipitación total.
Rawls y Brakensiek presentaron ábacos de estimación de la succión ϕf y de la
conductividad hidráulica K’, con base en el porcentaje de arcilla y de arena del suelo. Con
estos ábacos más uno de la porosidad φ, que corresponde a la θ sat , se puede calcular la
infiltración originada por una precipitación, conociendo la textura del suelo. Los ábacos
referidos se presentan en la figura. El uso de los valores contenidos en esos ábacos debe ser
con mucho cuidado pues no hacen referencia a la estructura del suelo, lo que puede
modificar sensiblemente los parámetros de infiltración.
29
Infiltración en una cuenca
Las dificultades para calcular la infiltración en grandes cuencas ha conducido al empleo de
diversos “índices de infiltración”, que deben correlacionarse con los factores indicativos de
las condiciones iniciales de humedad, y así calcular el hidrograma de una cuenca en una
tormenta determinada.
Para hallar la capacidad de absorción media en una cuenca, se tiene que admitir 1°, que es
uniforme en toda la cuenca; 2°, que la escorrentía sea también uniforme en toda ella; 3°,
que la lluvia sea uniforme en su distribución espacial.
a) Indice de infiltración media ∅: Se admite que para una tormenta dada y en las
condiciones iniciales que el valor de recarga de la cuenca es constante durante toda la
duración de la tormenta. En el gráfico de la intensidad media de la lluvia en función del
tiempo, el índice ∅ representa la intensidad media por encima de la cual todo excedente se
transforma en escorrentía.
Es claro que el índice ∅ integra, en forma excesivamente simplificada, la acción de la
intercepción de los diversos almacenamientos superficiales y de la infiltración.
b) Infiltración media aparente (fam).
30
Para cuencas donde no se acepta que la intensidad de lluvia es uniforme en toda el área,
Horton propone un criterio para calcular la capacidad de infiltración media fam, para una
tormenta.
Este criterio supone la disponibilidad de registro de lluvia suficiente para representar su
distribución satisfactoriamente, y que al menos uno de los registros se obtuvo a partir de un
pluviógrafo. Esto implica estimar que la distribución de lluvia registrada en el pluviógrafo
sea representativa de la distribución en toda la cuenca. Por otra parte, considera que el
escurrimiento superficial es igual a la diferencia entre la precipitación y la infiltración que
ocurre durante el periodo de la lluvia en exceso; o sea que se desprecia la infiltración antes
y después de la lluvia en exceso. Entonces, el valor de fam, que se encuentra es tal que
multiplicado por la duración de la lluvia en exceso y restado de la lluvia total para el mismo
periodo, proporciona el escurrimiento superficial total.
Se suponen distintas alturas de lluvia y, a partir de la curva masa en porcentaje, se obtiene
la variación respecto al tiempo. Se inventan capacidades de infiltración media y se deduce
para cada altura de lluvia supuesta su correspondiente lluvia en exceso.
El procedimiento es el siguiente:
1) Se calcula el hietograma medio de una tormenta para una cuenca, contando con los datos
pluviométricos de varias estaciones y al menos un pluviógrafo, de cuya curva masa se
aplica la variación porcentual horaria a los datos pluviométricos; que permiten graficar un
hietograma medio.
2) Se suponen distintos valores de fam tales como fam1, fam2, fam3, etc.; al igual que
montos totales de precipitación P1, P2, P3, etc., con la distribución planteada de acuerdo al
hietograma medio.
31
3) En un gráfico se representan los valores obtenidos con el eje vertical P neta y en abcisas
P total.
4) Se grafican las curvas que unen puntos de P efectiva con P neta correspondiente, para un
mismo valor de fam. Debe trabajarse con varios hietogramas que engloben el rango de
variación de precipitación total media posible en la cuenca analizada.
La utilización del gráfico siguiente permite obtener un fam conociendo la P total y P neta,
calculada ésta como escurrimiento directo en el punto de salida del área estudiada.
El concepto central de la hidrología es el ciclo hidrológico, que es la circulación del agua
desde los océanos a la atmósfera, de ésta a los continentes, para volver de nuevo a los
océanos en forma de agua superficial o subterránea.
32
Definición de Balance Hídrico: Toda unidad hidrológica, sea una cuenca superficial o
subterránea, recibe aportaciones de agua y descarga un volumen de agua, además de que
contiene otra cantidad de agua variable. Estos tres elementos deben equilibrarse a lo largo
de una determinada unidad de tiempo. La expresión cuantitativa de este equilibrio
constituye el balance hídrico.
El balance hídrico se refiere siempre a una unidad hidrológica – cuenca- y a un intervalo
de tiempo. El intervalo de tiempo puede ser cualquiera, pero lo normal son año hidrológico
medio, un año o un número determinado de años, un mes, un número de días, un día e
incluso el tiempo de duración de una tormenta.
Los elementos principales en un balance hídrico son:
➣ Precipitación: P
➣ Infiltración: I
➣ Evapotranspiración potencial y real: EVP - EVR
➣ Aportaciones o caudal de salida: A, Q
➣ Déficit de escurrimiento: D
➣ Variación de reservas: ΔR
➣ Almacenamiento en depresiones: S
La aportación o caudal se mide en las estaciones de aforo a la salida de la cuenca. El déficit
de escurrimiento se calcula hallando la diferencia P - Q. Las variaciones de las reservas
pueden calcularse directamente por los métodos conocidos, considerando tres niveles de
reservas: superficiales, de humedad del suelo, y en las napas freáticas. El almacenamiento
en depresiones S se calcula conociendo la superficie y los tirantes a través de la
interpretación de fotografías aéreas y por reconocimiento de campo.
En general la precipitación y el caudal se miden, la evapotranspiración real y potencial se
calculan con las fórmulas, y las variaciones de las reservas y la infiltración se calculan por
la diferencia entre otros elementos del balance.
Balance hídrico de una cuenca: El término A tiene un interés mayor pues permite conocer
la disponibilidad de agua en una zona, en un período determinado. La evaporación puede
medirse al igual que la lluvia, llegando a una ecuación simplificada: P = A + E.
33
Los balances hídricos normales son los del año hidrológico, largo período de años y para
una tormenta.
Balance para año hidrológico: Se empieza en un mes con las reservas de agua
prácticamente nulas. El balance queda P = Q + E +/- Variación de las reservas.
Balance para un largo período de años: La ecuación es aplicable es P = E + A, ya que las
variaciones de las reservas a lo largo de muchos años se compensan y tienden a una media,
por lo que no participan en un balance.
Balance para una tormenta: Para el caso de períodos cortos como una tormenta o un día
la ecuación de balance se transforma en P = F + I + S + A, donde F es la intercepción de la
vegetación que posteriormente llega al suelo por goteo.
34
Conclusión
Podemos decir que estos fenómenos de la naturaleza suceden por el ciclo hidrológico, ya
que eso permite que la misma agua circule y pase por diferentes estados y cambien las
propiedades del suelo.
El escurrimiento y la infiltración son uno de los más importantes, porque es lo que permite
que lleguen a los ríos y lagunas, y además en una primera etapa satisface la deficiencia de
humedad del suelo.
Al hablar de estos dos temas nos damos cuenta de que están relacionados entre sí, debido
que al ocurrir la infiltración comienza a saturar el suelo de agua hasta su máxima capacidad
y con ello busca un lugar por donde salir y es cuando comienza el proceso de
escurrimiento.
En ingeniería civil estos estudios permiten al ingeniero conocer las propiedades del suelo,
ya que sabemos que al interactuar con el agua sus propiedades cambian tanto físico como
químicos y eso puede afectar a la construcción u obra que se está realizando.
35
Bibliografía
Germán Monsalve Sáenz, Hidrología en la Ingeniería, primera edición 1995, Tercer Mundo
Editores.
Infiltración, PDF.
Linsley Kohler Paulus, Hidrología para Ingenieros, Segunda Edición.
Ven Te Chow, Hidrología Aplicada, Mc Graw Hill.
36