Infiltración (hidrología)

Sección transversal de una ladera que representa la zona vadosa , la franja capilar , el nivel freático y la zona freática o saturada. (Fuente: Servicio Geológico de los Estados Unidos) .

La infiltración es el proceso por el cual el agua en la superficie del suelo ingresa al suelo . Se usa comúnmente tanto en hidrología como en ciencias del suelo . La capacidad de infiltración se define como la tasa máxima de infiltración. La mayoría de las veces se mide en metros por día, pero también se puede medir en otras unidades de distancia a lo largo del tiempo si es necesario. ^[1]  La capacidad de infiltración disminuye a medida que aumenta el contenido de humedad del suelo de las capas superficiales del suelo. Si la tasa de precipitación excede la tasa de infiltración, generalmente se producirá escorrentía a menos que haya alguna barrera física.

Los infiltrómetros , permeámetros y simuladores de lluvia son todos dispositivos que se pueden utilizar para medir las tasas de infiltración. ^[2]

La infiltración es causada por múltiples factores que incluyen; gravedad, fuerzas capilares, adsorción y ósmosis. Muchas características del suelo también pueden influir en la determinación de la velocidad a la que se produce la infiltración.

Factores que afectan la infiltración

Precipitación

La precipitación puede afectar la infiltración de muchas maneras. La cantidad, el tipo y la duración de las precipitaciones influyen. La lluvia conduce a tasas de infiltración más rápidas que cualquier otro evento de precipitación, como nieve o aguanieve. En términos de cantidad, cuanta más precipitación se produzca, más infiltración se producirá hasta que el suelo alcance la saturación, momento en el que se alcanza la capacidad de infiltración. La duración de la lluvia también afecta la capacidad de infiltración. Inicialmente, cuando comienza el evento de precipitación, la infiltración ocurre rápidamente ya que el suelo está insaturado, pero a medida que avanza el tiempo, la tasa de infiltración disminuye a medida que el suelo se vuelve más saturado. Esta relación entre la lluvia y la capacidad de infiltración también determina cuánta escorrentíaocurrira. Si la lluvia ocurre a un ritmo más rápido que la capacidad de infiltración, se producirá escorrentía.

Características del suelo

La porosidad de los suelos es fundamental para determinar la capacidad de infiltración. Los suelos que tienen tamaños de poros más pequeños, como la arcilla, tienen menor capacidad de infiltración y tasas de infiltración más lentas que los suelos que tienen un tamaño de poro grande, como las arenas. Una excepción a esta regla es cuando la arcilla está presente en condiciones secas. En este caso, el suelo puede desarrollar grandes grietas que conducen a una mayor capacidad de infiltración. ^[3]

La compactación del suelo también afecta la capacidad de infiltración. La compactación de suelos da como resultado una menor porosidad dentro de los suelos, lo que disminuye la capacidad de infiltración. ^[4]

Los suelos hidrofóbicos pueden desarrollarse después de que ocurrieron los incendios forestales, lo que puede disminuir en gran medida o evitar por completo que se produzca la infiltración.

Contenido de humedad del suelo

El suelo que ya está saturado no tiene más capacidad para retener más agua, por lo tanto, se ha alcanzado la capacidad de infiltración y la tasa no puede aumentar más allá de este punto. Esto conduce a mucha más escorrentía superficial. Cuando el suelo está parcialmente saturado, la infiltración puede ocurrir a un ritmo moderado y los suelos totalmente insaturados tienen la mayor capacidad de infiltración.

Materiales orgánicos en suelos

Los materiales orgánicos en el suelo (incluidas las plantas y los animales) aumentan la capacidad de infiltración. La vegetación contiene raíces que se extienden hasta el suelo y crean grietas y fisuras en el suelo, lo que permite una infiltración más rápida y una mayor capacidad. La vegetación también puede reducir la compactación de la superficie del suelo, lo que nuevamente permite una mayor infiltración. Cuando no hay vegetación, las tasas de infiltración pueden ser muy bajas, lo que puede provocar una escorrentía excesiva y un aumento de los niveles de erosión . ^[3] De manera similar a la vegetación, los animales que excavan en el suelo también crean grietas en la estructura del suelo.

Cobertura terrestre

Si la tierra está cubierta por superficies impermeables, como el pavimento, la infiltración no puede ocurrir ya que el agua no puede infiltrarse a través de una superficie impermeable. Esta relación también conduce a un aumento de la escorrentía. Las áreas que son impermeables a menudo tienen desagües pluviales que drenan directamente a los cuerpos de agua, lo que significa que no se produce ninguna infiltración. ^[5]

La cobertura vegetal de la tierra también afecta la capacidad de infiltración. La cobertura vegetal puede conducir a una mayor interceptación de la precipitación, lo que puede disminuir la intensidad y generar menos escorrentía y más interceptación. El aumento de la abundancia de vegetación también conduce a niveles más altos de evapotranspiración que pueden disminuir la tasa de infiltración. ^[5]  Los desechos de la vegetación, como la cubierta de hojas, también pueden aumentar la tasa de infiltración al proteger los suelos de eventos de precipitación intensa.

En sabanas y pastizales semiáridos, la tasa de infiltración de un suelo en particular depende del porcentaje del suelo cubierto por basura y de la cobertura basal de matas de hierba perenne. En suelos franco arenosos, la tasa de infiltración debajo de una capa de arena puede ser nueve veces mayor que en superficies desnudas. La baja tasa de infiltración en áreas desnudas se debe principalmente a la presencia de una costra de suelo o sello de superficie. La infiltración a través de la base de un mechón es rápida y los mechones canalizan el agua hacia sus propias raíces. ^[6]

Pendiente

Cuando la pendiente de la tierra es más alta, la escorrentía ocurre más fácilmente, lo que conduce a tasas de infiltración más bajas. ^[5]

Proceso

Reproducir medios

El proceso de infiltración puede continuar solo si hay espacio disponible para agua adicional en la superficie del suelo. El volumen disponible de agua adicional en el suelo depende de la porosidad del suelo ^[7] y de la velocidad a la que el agua previamente infiltrada puede alejarse de la superficie a través del suelo. La tasa máxima a la que el agua puede ingresar a un suelo en una condición dada es la capacidad de infiltración. Si la llegada del agua a la superficie del suelo es inferior a la capacidad de infiltración, a veces se analizaron utilizando modelos de transporte de hidrología , modelos matemáticos que tienen en cuenta la infiltración, escorrentía y el flujo de canal para predecir caudal de los ríos y arroyos de la calidad del agua .

Hallazgos de la investigación

Robert E. Horton ^[8] sugirió que la capacidad de infiltración disminuye rápidamente durante la primera parte de una tormenta y luego tiende a un valor aproximadamente constante después de un par de horas durante el resto del evento. El agua previamente infiltrada llena los espacios de almacenamiento disponibles y reduce las fuerzas capilares que atraen agua a los poros. Las partículas de arcilla en el suelo pueden hincharse a medida que se humedecen y, por lo tanto, reducen el tamaño de los poros. En áreas donde el suelo no está protegido por una capa de basura forestal, las gotas de lluvia pueden desprender partículas de suelo de la superficie y arrastrar partículas finas hacia los poros de la superficie donde pueden impedir el proceso de infiltración.

Infiltración en la recogida de aguas residuales

Los sistemas de recolección de aguas residuales consisten en un conjunto de líneas, uniones y estaciones elevadoras para transportar las aguas residuales a una planta de tratamiento de aguas residuales . Cuando estas líneas se ven comprometidas por rotura, agrietamiento o invasión de raíces de árboles , a menudo se produce la infiltración / entrada de aguas pluviales. Esta circunstancia puede provocar un desbordamiento de alcantarillado sanitario o la descarga de aguas residuales no tratadas al medio ambiente.

Métodos de cálculo de infiltración

La infiltración es un componente del balance hidrológico general del balance de masas. Hay varias formas de estimar el volumen y / o la tasa de infiltración de agua en un suelo. El estándar riguroso que acopla completamente el agua subterránea con el agua superficial a través de un suelo no homogéneo es la solución numérica de la ecuación de Richards . Un método más nuevo que permite el acoplamiento 1-D de agua subterránea y agua superficial en capas de suelo homogéneas, y que está relacionado con la ecuación de Richards es la solución del método de flujo de zona vadosa de contenido de agua finito de la ecuación de velocidad de humedad del suelo. En el caso de un contenido de agua del suelo inicial uniforme y un suelo profundo y bien drenado, existen algunos métodos aproximados excelentes para resolver el flujo de infiltración para un solo evento de lluvia. Entre estos se encuentran el método de Green y Ampt (1911) ^[9] , Parlange et al. (mil novecientos ochenta y dos). ^[10] Más allá de estos métodos, hay una gran cantidad de métodos empíricos, como el método SCS, el método de Horton, etc., que son poco más que ejercicios de ajuste de curvas.

Presupuesto hidrológico general

El presupuesto general hidrológico, con todos los componentes, con respecto a la infiltración F . Dadas todas las demás variables y la infiltración es la única desconocida, el álgebra simple resuelve la cuestión de la infiltración.

${\displaystyle F=B_{I}+P-E-T-ET-S-I_{A}-R-B_{O}}$

dónde

F es la infiltración, que se puede medir como volumen o longitud;

${\displaystyle B_{I}}$ es la entrada del límite, que es esencialmente la cuenca de salida de las áreas impermeables adyacentes directamente conectadas;

${\displaystyle B_{O}}$es la salida del límite, que también está relacionada con la escorrentía superficial, R , dependiendo de dónde se elija definir el punto o puntos de salida para la salida del límite;

P es precipitación ;

E es evaporación ;

T es transpiración ;

ET es evapotranspiración ;

S es el almacenamiento a través de áreas de retención o detención ;

${\displaystyle I_{A}}$es la abstracción inicial, que es el almacenamiento superficial a corto plazo, como charcos o incluso posiblemente estanques de detención, dependiendo del tamaño;

R es la escorrentía superficial .

La única nota sobre este método es que uno debe saber qué variables usar y cuáles omitir, ya que se pueden encontrar fácilmente dobles. Un ejemplo sencillo de variables de recuento doble es cuando la evaporación, E , y la transpiración, T , se colocan en la ecuación, así como la evapotranspiración, ET . ET ha incluido en ella T , así como una parte de E . La interceptación también debe tenerse en cuenta, no solo la precipitación bruta.

Ecuación de Richards (1931)

El enfoque riguroso estándar para calcular la infiltración en los suelos es la ecuación de Richards , que es una ecuación diferencial parcial con coeficientes muy no lineales. La ecuación de Richards es computacionalmente costosa, no se garantiza que converja y, a veces, tiene dificultades con la conservación de masas. ^[11]

Método de flujo de zona vadosa con contenido de agua finito

Este método es una aproximación de la ecuación diferencial parcial de Richards (1931) que resta importancia a la difusión del agua del suelo. Esto se estableció comparando la solución del término similar a la advección de la Ecuación de la velocidad de la humedad del suelo ^[12] y comparando con soluciones analíticas exactas de infiltración usando formas especiales de las relaciones constitutivas del suelo. Los resultados mostraron que esta aproximación no afecta el flujo de infiltración calculado porque el flujo de difusión es pequeño y que el método de flujo de zona vadosa con contenido de agua finito es una solución válida de la ecuación ^[13] es un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias, está garantizado para converger y conservar masa. Requiere las suposiciones de que el flujo ocurre en la dirección vertical solamente (unidimensional) y que el suelo es uniforme dentro de las capas.

Green y Ampt

El nombre de dos hombres; Verde y Ampt. El método de estimación de infiltración de Green-Ampt ^{[14] tiene} en cuenta muchas variables que otros métodos, como la ley de Darcy, no tienen en cuenta. Es una función de la altura de succión del suelo, la porosidad, la conductividad hidráulica y el tiempo.

${\displaystyle \int _{0}^{F(t)}{F \over F+\psi \,\Delta \theta }\,dF=\int _{0}^{t}K\,dt}$

dónde

${\displaystyle {\psi }}$ está mojando el cabezal de aspiración del suelo delantero (L);

${\displaystyle \theta }$es el contenido de agua (-);

${\displaystyle K}$es la conductividad hidráulica (L / T);

${\displaystyle F(t)}$ es la profundidad acumulada de infiltración (L).

Una vez integrado, se puede optar fácilmente por resolver el volumen de infiltración o la tasa de infiltración instantánea:

${\displaystyle F(t)=Kt+\psi \,\Delta \theta \ln \left[1+{F(t) \over \psi \,\Delta \theta }\right].}$

Usando este modelo, uno puede encontrar el volumen fácilmente resolviendo . Sin embargo, la variable que se está resolviendo está en la ecuación misma, por lo que al resolver esta, se debe configurar la variable en cuestión para que converja en cero u otra constante apropiada. Una buena primera conjetura es el valor mayor de o . Estos valores se pueden obtener resolviendo el modelo con log reemplazado por su expansión de Taylor alrededor de uno, de orden cero y segundo respectivamente. La única nota sobre el uso de esta fórmula es que se debe asumir que la altura del agua o la profundidad del agua estancada sobre la superficie es insignificante. Usando el volumen de infiltración de esta ecuación, se puede sustituir${\displaystyle F(t)}$${\displaystyle F}$${\displaystyle Kt}$${\displaystyle {\sqrt {2\psi \,\Delta \theta Kt}}}$${\displaystyle h_{0}}$${\displaystyle F}$en la ecuación de tasa de infiltración correspondiente a continuación para encontrar la tasa de infiltración instantánea en el momento , se midió. ${\displaystyle t}$${\displaystyle F}$

${\displaystyle f(t)=K\left[{\psi \,\Delta \theta \over F(t)}+1\right].}$

Ecuación de Horton

Nombrada en honor al mismo Robert E. Horton mencionado anteriormente, la ecuación de Horton ^[14] es otra opción viable cuando se miden tasas o volúmenes de infiltración del suelo. Es una fórmula empírica que dice que la infiltración comienza a una tasa constante y disminuye exponencialmente con el tiempo . Después de un tiempo, cuando el nivel de saturación del suelo alcanza un cierto valor, la tasa de infiltración se nivelará a la tasa . ${\displaystyle f_{0}}$${\displaystyle t}$${\displaystyle f_{c}}$

${\displaystyle f_{t}=f_{c}+(f_{0}-f_{c})e^{-kt}}$

Dónde

${\displaystyle f_{t}}$es la tasa de infiltración en el tiempo t ;

${\displaystyle f_{0}}$ es la tasa de infiltración inicial o la tasa de infiltración máxima;

${\displaystyle f_{c}}$ es la tasa de infiltración constante o de equilibrio después de que el suelo se ha saturado o la tasa de infiltración mínima;

${\displaystyle k}$ es la constante de descomposición específica del suelo.

El otro método de utilizar la ecuación de Horton es el siguiente. Puede usarse para encontrar el volumen total de infiltración, F , después del tiempo t .

${\displaystyle F_{t}=f_{c}t+{(f_{0}-f_{c}) \over k}(1-e^{-kt})}$

Ecuación de Kostiakov

El nombre de su fundador Kostiakov ^[15] es una ecuación empírica que supone que la tasa de ingesta disminuye con el tiempo de acuerdo con una función de potencia.

${\displaystyle f(t)=akt^{a-1}\!}$

Donde y son parámetros empíricos.${\displaystyle a}$${\displaystyle k}$

La principal limitación de esta expresión es su dependencia de la tasa de ingesta final nula. En la mayoría de los casos, la tasa de infiltración se acerca a un valor estable finito, que en algunos casos puede ocurrir después de cortos períodos de tiempo. La variante de Kostiakov-Lewis, también conocida como la ecuación de "Kostiakov modificado" corrige esto agregando un término de ingesta constante a la ecuación original. ^[dieciséis]

${\displaystyle f(t)=akt^{a-1}+f_{0}\!}$

en forma integrada, el volumen acumulado se expresa como:

${\displaystyle F(t)=kt^{a}+f_{0}t\!}$

Dónde

${\displaystyle f_{0}}$ se aproxima, pero no necesariamente equivale a la tasa de infiltración final del suelo.

Ley de Darcy

Este método utilizado para la infiltración utiliza una versión simplificada de la ley de Darcy . ^[14] Muchos dirían que este método es demasiado simple y no debería utilizarse. Compárelo con la solución de Green y Ampt (1911) mencionada anteriormente. Este método es similar a Green y Ampt, pero falta la profundidad de infiltración acumulada y, por lo tanto, es incompleto porque supone que el gradiente de infiltración ocurre en una longitud arbitraria . En este modelo, se asume que el agua estancada es igual a y se asume que la cabeza de suelo seco que existe debajo de la profundidad de la cabeza de succión del suelo del frente de mojado es igual a . ${\displaystyle L}$${\displaystyle h_{0}}$${\displaystyle -\psi -L}$

${\displaystyle f=K\left[{h_{0}-(-\psi -L) \over L}\right]}$

dónde

${\displaystyle {\psi }}$ está mojando el cabezal de aspiración del suelo delantero

${\displaystyle h_{0}}$ es la profundidad del agua estancada sobre la superficie del suelo;

${\displaystyle K}$es la conductividad hidráulica ;

${\displaystyle L}$es la vaga profundidad total del subsuelo en cuestión. Esta vaga definición explica por qué debe evitarse este método.

o

${\displaystyle f=K\left[{L+S_{f}+h_{0} \over L}\right]}$^[17]

${\displaystyle {f}}$Tasa de infiltración f (mm hora ⁻¹⁾ )

${\displaystyle K}$es la conductividad hidráulica (mm hora ^-1) );

${\displaystyle L}$es la vaga profundidad total del subsuelo en cuestión (mm). Esta vaga definición explica por qué debe evitarse este método.

${\displaystyle {S_{f}}}$está mojando el cabezal de aspiración del suelo delantero ( ) = ( ) (mm)${\displaystyle {-\psi }}$${\displaystyle {-\psi _{f}}}$

${\displaystyle h_{0}}$ es la profundidad del agua estancada sobre la superficie del suelo (mm);

Ver también

• Zanjas de contorno
• Descarga (hidrología)
• Cuenca de drenaje
• Sistema de drenaje (agricultura)
• Evapotranspiración
• Recarga de aguas subterráneas
• Suelo hidrofóbico
• Intercepción (agua)
• Servicio de Conservación de Recursos Naturales
• Permeabilidad (fluida)
• Número de curva de escorrentía
• Modelo de gestión de aguas pluviales
• Sistemas de drenaje urbano sostenibles

Referencias

1. mb, Kirkham (2014). "Prefacio a la segunda edición". Principios de las relaciones entre el suelo y el agua de las plantas . págs. xvii – xviii. doi : 10.1016 / B978-0-12-420022-7.05002-3 . ISBN 9780124200227.
2. "Instrumentos utilizados para medir las curvas de infiltración del suelo" . 2019-03-20.
3. "Infiltración del suelo" (PDF) . Departamento de Agricultura de los Estados Unidos . Consultado el 20 de marzo de 2019 .
4. Dadkhah, Manouchehr; Gifford, Gerald F. (1980). "Influencia de la vegetación, la cubierta rocosa y el pisoteo en las tasas de infiltración y la producción de sedimentos1". Revista JAWRA de la Asociación Estadounidense de Recursos Hídricos . 16 (6): 979–986. Código bibliográfico : 1980JAWRA..16..979D . doi : 10.1111 / j.1752-1688.1980.tb02537.x . ISSN 1752-1688 . 
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6. Walker, BH (1974). "Consideraciones ecológicas en la gestión de ecosistemas semiáridos en África centro-sur". Actas del Primer Congreso Internacional de Ecología . Wageningen. págs. 124-129. ISBN 90-220-0525-9. Consultado el 2 de agosto de 2020 .
7. Hogan, C. Michael (2010). "Factor abiótico" Archivado el 8 de junio de 2013 en la Wayback Machine en la Enciclopedia de la Tierra . eds Emily Monosson y C. Cleveland. Consejo Nacional de Ciencia y Medio Ambiente. Washington DC
8. Horton, Robert E. (1933). "El papel de la infiltración en el ciclo hidrológico". Trans. Soy. Geophys. Unión . 14th Ann. Mtg (1): 446–460. Código bibliográfico : 1933TrAGU..14..446H . doi : 10.1029 / TR014i001p00446 .
9. Green, W. Heber; Ampt, GA (1911). "Estudios de Física de Suelos" . La Revista de Ciencias Agrícolas . 4 : 1–24. doi : 10.1017 / S0021859600001441 .
10. Parlange, J. -Y .; Lisle, I .; Braddock, RD; Smith, RE (1982). "La ecuación de infiltración de tres parámetros". Ciencia del suelo . 133 (6): 337. Código Bibliográfico : 1982SoilS.133..337P . doi : 10.1097 / 00010694-198206000-00001 . S2CID 94729063 . 
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14. Ingeniería de recursos hídricos , edición de 2005, John Wiley & Sons, Inc.
15. Kostiakov, AN "Sobre la dinámica del coeficiente de percolación del agua en los suelos y sobre la necesidad de estudiarlo desde un punto de vista dinámico con fines de mejora". Transacciones del 6º Congreso de la Sociedad Internacional de Ciencias del Suelo . Moscú. págs. 17-21.
16. Walker, WR; Skogerboe, GV (1987). Riego superficial: teoría y práctica . Prentice-Hall, acantilados de Englewood.
17. Hendriks, Martin R. (2010) Introducción a la hidrología física , Oxford University Press

Enlaces externos

• La Infiltración Wiki de Hidrología Experimental - Infiltrómetro de campana