4.2. Aproximándose a la infiltración desde registros de campo


Fig 1. Infiltrómetro de doble anillo low cost a 4500 msnm (Fuente: CITA-UTEC)

Autor: Pedro Rau

La heterogeneidad espacial y temporal de la precipitación, la escorrentía, la evaporación y flujo subsuperficial ha sido documentada como uno de los 23 problemas no resueltos en la hidrología (Blöschl et al, 2019). Por consiguiente, esto repercute en una de las variables más difíciles de representar dentro del ciclo hidrológico, tal como es la infiltración y el almacenamiento de agua en el suelo. A continuación una serie de recomendaciones para aproximarse a la estimación de la infiltración desde registros de infiltrómetros a través de dos (2) modelos: Horton y van Genuchten. Para ello previamente se requiere conocer ambos modelos y dominar los procedimientos y protocolos bajo las normas respectivas en el uso del infiltrómetro doble anillo para asemejar condiciones de flujo saturado o el infiltrómetro de minidisco para asemejar condiciones de flujo no saturado.

Ambos modelos se sustentan en el semi-empirismo para el ajuste de curvas que representan propiedades de la infiltración ya sea en medio saturado (fases sólida y líquida) o en medio no saturado (fases sólida, líquida y gaseosa). No tienen un significado estrictamente físico. El modelo de Horton sigue la ecuación 1, para unidades de tiempo pequeñas y los valores iniciales del modelo se pueden encontrar en tablas. 

Ecuacion 1. Modelo de Horton

Donde:

i(t): capacidad de infiltración en el tiempo (distancia/tiempo)

i0: capacidad de infiltración inicial (distancia/tiempo)

if: capacidad de infiltración final (distancia/tiempo)

γ: constante de decaimiento (1/tiempo)

Por otro lado, el modelo de van Genuchten (VG) intenta describir la relacion entre el contenido de agua en el suelo y la succión (o potencial mátrico o presión negativa del agua contenida en los poros del suelo), dando forma a una curva que recibe el nombre de "curva de retención de agua en el suelo". El modelo VG sigue la ecuación 2 y sus variables pueden ser estimadas a través de funciones empiricas de pedotransferencia, es decir considerando propiedades conocidas del suelo como la textura y densidad.

Ecuación 2. Modelo de van Genuchten
Donde:

θ: es el contenido de agua en el suelo (o humedad)
θr: es el contenido de agua residual en el suelo
θs: es el contenido de agua en el suelo saturado
h: potencial de agua en el suelo (kPa)
α: parámetro de escala, inversamente proporcional al diámetro de poros promedio (1/cm)
n, m: parámetros de forma de las caracteristicas del agua en el suelo. Cumpliéndose: m = 1 − 1/n; 0 < m < 1.

1. Factores que afectan la tasa de infiltración

Entre los principales factores que afectan las tasas de infiltración se puede mencionar:

- La tasa de ingreso de agua o altura de encharcamiento. A mayor lámina de agua acumulada en el suelo previo a la infiltración, definitivamente presentará una mayor carga y presión sobre la unidad de área, cambiando el valor de la infiltración si se presentase una lámina de diferente altura.

- La conductividad hidráulica (Kh) de la superficie. El valor de la conductividad es variable en toda la profundidad del suelo, es decir en la superficie existe una capacidad de infiltración que se aproxima al Kh y es susceptible de alterarse con la presencia de una capa orgánica, escarcha, suelos expansivos, la compactación de la lluvia, el lavado de sedimentos finos, así como modificaciones por las actividades humanas.

- El contenido de agua en los poros de la superficie, el cual dependerá de eventos de lluvia anteriores o de otro tipo de aportes

- La pendiente y rugosidad de la superficie. En superficies con mayor pendiente, más lisas o suavizadas presentaran una menor tasa de infiltración

- Las características químicas de la superficie del suelo, como por ejemplo si existe la presencia de elementos hidrofóbicos.

- Las propiedades físicas y químicas del agua. Por ejemplo, la conductividad hidráulica a 30°C es mucho mayor que el obtenido cerca de 0°C.

2. Ajuste al modelo de Horton con R

Se recomienda seguir las siguientes etapas:

- Inspección de campo y elección de los lugares de ensayo con el infiltrómetro de doble anillo. Definir el tipo de suelo por ensayos preliminares o mecánicos, de preferencia con un sustento dentro del triángulo textural de suelo.

- Una vez obtenidos los registros de infiltración con intervalos de tiempo versus láminas infiltradas en cada intervalo, estimar la conductividad hidráulica (Kh) de acuerdo a un criterio de estabilización horizontal de la curva y experiencia del especialista.

- Convertir el registro anterior a su forma acumulada y preparar un archivo texto con los registros acumulados de tiempo en "minutos" y lámina infiltrada en "centimetros", con nombres de cabecera "t" e "l" respectivamente

- Ejecutar el siguiente script en R, ingresar la capacidad de infiltración final en mm/hr y obtener el ajuste al modelo de Horton con los coeficientes de la ecuación 1.

https://github.com/hydrocodes/Varios/blob/master/21_horton.R

3. Ajuste al modelo de van Genuchten en MS Excel

Se recomienda seguir las siguientes etapas:

- Inspección de campo y elección de los lugares de ensayo con el infiltrómetro de minidisco. La ventaja de la portabilidad del equipo también permite mediciones a diferentes profundidades del suelo de ser necesarios en el estudio.

- Requerirá la definición del tipo de suelo con ensayos preliminares o mecánicos, a través de la extracción de muestras para la estimación del contenido de humedad por laboratorio en cada profundidad medida, análisis del triángulo textural del suelo. Se puede obtener las densidad de campo de las muestras extraídas a través de una balanza portátil y un recipiente de volumen estándar.

- Descargar la hoja de cálculo del fabricante Decagon asi como el manual del equipo.

https://www.metergroup.com/environment/products/mini-disk-infiltrometer/#support

- Ingresar los tiempos y laminas infiltradas para el nivel de tensión o succión empleado, asi como el modelo de equipo usado y el tipo de suelo. La automatización de la hoja en MS Excel permite obtener la conductividad hidráulica y más parámetros de flujo no saturado, revisar el manual para la revisión de las formulaciones automatizadas.

Fig 2. Infiltrómetro de minidisco (Fuente: CITA-UTEC)

Ref:

Dingman L. 2014. Physical hydrology. Waveland Press, Inc. 3rd edition.

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