1CI 41C HIDROLOGA

IntercepcinFlujo en Zona No saturada del SueloInfiltracin

Cuando la precipitacin (P) llega a la superficie en reas con vegetacin, un cierto porcentaje de ella es retenida o interceptada por la vegetacin. La lluvia que no es interceptada se denomina throughfall (T). El agua que llega al suelo a travs de las ramas y troncos se llama stemflow (C).

Int = P-T-C

INTERCEPCIINTERCEPCINN

2Tomado del curso de A. Fares Watershed Hydrology

Medidas han mostrado que hasta 8 mm de lluvia pueden ser interceptadas por la vegetacin. El agua interceptada se evapora posteriormente a tasas que dependen de las condiciones meteorolgicas existentes y varan segn el tipo de vegetacin.

En reas hmedas, la evaporacin del agua interceptada puede ser un importante componente del balance (250 mm anuales); reas forestadas han mostrado tener mayores prdidas por intercepcin que reas de pasto. Esto se debe a la mayor rugosidad de la cubierta forestal que resulta en una eficiente transferencia de vapor de agua de la superficie.

3FACTORES

Caractersticas de precipitacin(intensidad, volumen de precipitacin y lluvia antecedente)

Condiciones climticas (veloc. viento)

Tipo y densidad de vegetacin

perodo del ao

En bosques :

si P 1mm 10 a 40% puede ser retenido

P

Int

i1

i2>i1

Estimacin

Int = Sv + (Av/A) E tr Horton (1919)

Capacidad de almacenamiento por unidad de rea (mm)

Area de vegetacin

Area Total

Evaporacin (mm/hr)

Duracin Pp (hr)

Limitaciones:

No depende de la Pp

Debe conocerse Sv

4Int = Sv (1- e-P/Sv)+ R E tr Meriam (1960)

Int = Sv (1- e-P/Sv)+ K P

K=R E tr/P = constante

Ecuaciones empricas

Int=a + b Pn

Sv=a P2+b P Bultot (1972)

Capacidad mxima de almacenamiento segn cobertura (mm)

campo prado 2,5

rbol o matorral 3,75

rboles o matorrales densos 5,00

5Almacenamiento en Depresiones

Vd =Sd(1-e-k Pe)

Capacidad mxima

1/Sd

Precipitacin efectiva

Al iniciarse la precipitacin se satisfacen estos almacenamientos (Intercepcin y depresiones superficiales) antes de iniciarse la infiltracin.

Napa Fretica

Flujo Subterrneo

Infiltracin

Superficie de suelo Flujo

Subsuperficial

Flujo en Zona No Saturada del Suelo

Salida de F. Subt.

Salida F. Subsup.

6Agua subterrnea

Agua capilar

Agua pelicular y gravitacional

Agua del suelo

Zona de aireacin

http://www.agua.uji.es/pdf/leccionHQ05.pdf

Aire atrapadoh=volumen de huecos/volumen total

(0,25 a 0,75 segn textura suelo)

A medida que se agrega mas agua el aire es eliminado y desaparece la fuerza de succin del suelo

7Contenido de humedad del suelo

q=volumen de agua/volumen total

vara entre 0 y h

dy) (dx*q*rw

dy) (dxdz)*zq+(q*

rw

tdz)dy (dx*

q

rw

flujo msico de entrada:

flujo msico de salida:

variacin de almacenamiento

8ECUACIN DE CONTINUIDAD

0 = zq +

t

q

S )32D( = v f

2

mg

Considerando el medio poroso como una estructura de pequeos conductos interconectados, de dimetro medio D, entonces el flujo laminar queda descrito por la ecuacin:

como el rea real de escurrimiento (A) no se conoce, se define q=Q/A como el flujo de Darcy. La ley de Darcy, vlida slo en rgimen laminar, establece que:

S*K = q fconductividad hidrulicapendiente del plano de carga

Conductividad Hidrulica y Porosidad de Medios Porosos

Material K(cm/s) hGrava 10-1-102 25-40 Arena 10-5-1 25-50Limo 10-7-10-3 35-50 Arcilla 10-9-10-5 40-70

velocidad media real puede expresarse como:

q/h

Para el flujo en la direccin vertical z, si h es la carga total

zh- = S f

la carga es decreciente en la direccin del flujo debido a la friccin

9ecuacin de Darcy

zh K- = q

En el flujo saturado no confinado, las nicas fuerzas que actan sobre el elemento fluido son la gravedad y la friccin; cuando el flujo es no saturado debe incluirse adems el efecto de la fuerza de succin que ejercen las lminas de agua adheridas a las partculas de suelo, provocada por la tensin superficial.

h se mide en dimensiones de altura (energa por unidad de peso). Si medio no saturado, la energa que posee el fluido debido a las fuerzas de succin del suelo, se denomina carga de succin , sta vara con la humedad del suelo. La carga hidrulica es entonces:

z + = h y

zz)+(K- = q

y

K)+z

(D- = K)+z

-(K=

qq

qy

difusividad agua suelo que tiene dimensiones de L2/T.

K) + z

(Dz

= t

qq

ecuacin de continuidad

ecuacin de Richards para flujo unidimensional

10

Clculo del Flujo de Humedad

si se conocen las cargas de succin, , a diferentes profundidades, z, y la relacin entre la conductividad hidrulica K y .

zh K- = q

h=Y+z

K=250(- )-2,11

11

Variacion de Succion con Humedad

1,00E+01

1,00E+02

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Humedad

Succ

ion

-m

m)

Conductividad Hidraulica en funcion de la Humedad

1,00E-10

1,00E-09

1,00E-08

1,00E-07

1,00E-06

1,00E-05

1,00E-04

1,00E-03

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Humedad

K (m

m/s

)

INFILTRACIONINFILTRACION

Es el paso del agua a travs de la superficie del terreno hacia el interior del suelo

Factores que afectan la Infiltracin

entrada superficialtransmisin a partir del suelo y acumulacin en el suelolas caractersticas del medio permeabley las del fluido

12

La superficie del suelo puede estar cerrada por la acumulacin de finos u otras partculas que pueden impedir o retrasar la entrada de agua al suelo.

El agua no puede entrar al suelo con mayor rapidez que la de su transmisin hacia abajo.

El almacenamiento disponible en cualquier horizonte de suelo, depende de h, e y qexistente. La porosidad, tamao y disposicin de los poros tiene incidencia significativa en la disponibilidad de almacenamiento. Al inicio de la tormenta la infiltracin es en gran medida controlada por el volumen, tamao y continuidad de los poros de mayor tamao ya que proporcionan caminos fciles para el movimiento del agua

Distribucin espacial y temporal de poros (algunos suelos se hinchan con el agua)

Vegetacin: races lo mantienen porosos

Agua contaminada, turbia

13

Medicin

Cilindros infiltrmetros

De disco

14

MEDICIN

H: 40 a 60 cm

Se entierra 30 a 40 cm

Dimetro 15 a 20 cm

2R

Sup. Infilt.:

2pR(x+R/2)

PORCHET

Hx

15

q f p

PARCELAS EXPERIMENTALESDa: Volumen de detencin superficial

Da+ V depresiones superf.

Prueba

16

fo

fc

Ecuaciones Empricas para Estimar la Infiltracin

Horton

constante de decaimiento

corresponde a la solucin de la ecuacin de Richards para la tasa de difusin de humedad (D(/z)) en la superficie del suelo, cuando se considera que K y D son constantes independientes de la humedad del suelo.

e)f - f( + f = f(t) -ktcoc

Philip (1957,1969)

resolvi la ec. de Richards en condiciones menos restrictivas, considerando que K y D podan variar con el contenido de humedad .

transformacin de Boltzman B() =zt-1/2

infiltracin acumulada F(t):

Kt + St = F(t) 1/2

Sorptividad o Adsorcin K + St21 = f(t) 1/2-

dF/d

tColumna horizontal

17

)F

H) + )(-( + (1k = dtdF=f i yqq

m

Philip permeabilidad

viscosidad

Potencial capilar en el frente de humedad

Profundidad de agua sobre el suelo

qs=h LFrente hmedo

qi

MTODO DE HUGGINS Y MONKE (1966)

Se considera f=f(q)

f=fc +A(S/h)p

coeficientes

Porosidad capa superior sueloPotencial de almacenamiento. Inicialmente h-qi

Ecuacin se resuelve iterativamente

Inicio tormenta: F=0 S= h-qiSi h-S

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Percolacin D=0

St=St-1-fDt

Suelo saturado D=f

Si i>fc f=fc St=St-1-fDt+DDt

D=fc(1-S/G)3 St=St-1-fDt+DDt

Contenido de agua mxima gravitacional=h-CC

Modelo de Green y Ampt (1911)

Se basa en flujo del tipo Ley de Darcy

Infiltracin proporcional al gradiente total, incluyendo efecto de succin

f = Ks(H+Y+LF)/LF

Se supone que frente hmedo se mueve como pistn H

Frente hmedo

q =qs

q =qi

LFF: total Agua infiltrada=(qs-qi)LF=S LF

Si H>0: f=Ks+ Ks SY/F

Conductividad hidrulica Dficit de humedad del suelo

19

L

Mtodo de la Curva Nmero (SoilConservation Service)

I-PP =

SF

a

ea

mximo valor de retencin de agua en el suelo

mxima escorrenta superficial

P = Pe + Ia + Fa Ecuacin de continuidad

S+I-P)I-(P = P

a

2a

e

20

S*0,8+P)S*0,2-(P = P

2

e

10 - CN

1000 = S 254 - CN

25400 = S

CN(II)*0,058-10CN(II)*4,2=CN(I)

CN(II)*0,13+10CN(II)*23=CN(III)

mm

Curva Nmero

0,0

100,0

200,0

300,0

0 100 200 300

P (mm)

Pe (m

m)

1

21

22

CLASE A: Suelos con alta capacidad de infiltracin. Arenas, gravas y loess profundos.

CLASE B: Suelos con capacidad de infiltracin moderada. Loess poco profundos, marga arenosa

CLASE C: Suelos con capacidad de infiltracin bajas. Marga arcillosa, marga arenosa poco profunda, suelos de bajo contenido orgnico y suelos generalmente con alto contenido de arcilla.

CLASE D: Suelos con muy baja capacidad de infiltracin o en los que el nivel fretico est cerca de la superficie. Suelos que aumentan de volumen cuando estn mojados, arcillas plsticas pesadas y algunos suelos salinos.

Clasificacin de las Condiciones de Humedad Lluvia antecedente de 5 das (mm)

Grupo AMC Estacin Latente Estacin de Crecimiento

I 53,3

23

Indice f

Indices de Infiltracin

Indice w

Se admite que para una tormenta dada y en las condiciones iniciales determinadas en la cuenca, el valor de recarga de la cuenca es constante durante toda la duracin de la lluvia.

i

t

F=w

Pe

w=F/tei

t

f

F fDt

Tiempo de lluvia efectiva

te= t1 + t2

Indices de Saturacin

a1P1+a2P2+.....+anPn

aP1(K-ta)

Tiempo en das sin llover cuando ocurre P1

I=SPi (k-ti)/100

tiempo entre lluvia i y la anterior

COEFICIENTES DE ESCORRENTIA: C Pe=CP

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Indice de Precipitacin Antecedente (IPA)

IPAt=IPAoKt

Cuando ocurre P1, sta se agrega a la humedad existente para definir un nuevo IPA

P2P1IPAo

IPA1

t1 t2

IPA2 IPAt=IPA1Kt

Mecanismos de Produccin de la Escorrenta

Tipo Horton

Profundidad

Nivel fretico

h

to

qt3 tiempo de empapamiento.

La infiltracin empieza a disminuir (antes todo infiltra) y se genera el flujo superficial

i

infiltracin

Flujo superficial

t3

En zonas de alta pendiente y cuando K

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Tipo Dunne

Profundidad

Nivel fretico

h

to

q

i

infiltracin

Flujo superficial

t5

La saturacin de l suelo ocurre por el ascenso del nivel fretico. Cuando todo est saturado (no hay almacenamiento disponible) se genera flujo superficial

Cerca de vegas y canales

K

Flujo Superficial y Erosin. Los flujos tipo Horton y por saturacin mueven sedimento pendiente abajo. Esto da como resultado el lavado superficial del suelo (sheetwash) y la formacin de canalculos (rills)ycrcavas (gullies).

El lavado superficial es fomentado por la erosin producida por el impacto de las gotas de lluvia que remueven las partculas superficiales (ms efectivo en suelos sin cubierta vegetal).

En todos los casos, el movimiento del suelo y partculas de roca debido al escurrimiento del agua es la EROSIN.

Canalculos Crcavas

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Tasa de almacenamiento superficial:

dtdPkeS

dtdV ekP

de-n

)( fie ekP - -n

Tasa de escurrimiento superficial

)1)(( ekPefifi ----- ns

Diagrama de Distribucin de la Lluvia

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Altura de lluvia retenida

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15tiempo desde el comienzo de lluvia

Precipitacin en el cauceEscorrentia SuperficialFlujo SubsuperficialFlujo SubterrneoHumedad del sueloAlmacenamiento en DepresionesIntercepcin

fin

27

Si las presiones negativas son mayores de 15 bar, la planta (races) no puede extraer el agua. Punto de Marchitez Permanente.

Mxima cantidad de agua que el suelo puede almacenar en contra de la accin de la gravedad: Capacidad de campo

El agua en exceso (por sobre CC) percola