Infiltración (hidrología)

Proceso por el cual el agua de la superficie del suelo ingresa al suelo.

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 de la superficie del suelo penetra en el suelo . Se utiliza comúnmente tanto en hidrología como en ciencias del suelo . La capacidad de infiltración se define como la tasa máxima de infiltración. Se mide con mayor frecuencia 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 de las capas superficiales del suelo. Si la tasa de precipitación excede la tasa de infiltración, generalmente se producirá escorrentía a menos que exista alguna barrera física.

Los infiltrómetros , parametros y simuladores de lluvia son dispositivos que pueden utilizarse para medir las tasas de infiltración. ^[2]

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

Factores que afectan la infiltración

Precipitación

Las precipitaciones pueden afectar la infiltración de muchas maneras. La cantidad, el tipo y la duración de las precipitaciones tienen un impacto. Las precipitaciones producen tasas de infiltración más rápidas que cualquier otro fenómeno de precipitación, como la nieve o el aguanieve. En términos de cantidad, cuanto más precipitaciones se produzcan, más infiltración se producirá hasta que el suelo alcance la saturación, momento en el que se alcanza la capacidad de infiltración. La duración de las precipitaciones también afecta a la capacidad de infiltración. Al principio, cuando comienza la precipitación, la infiltración se produce rápidamente porque el suelo no está saturado, pero a medida que pasa el tiempo, la tasa de infiltración se reduce a medida que el suelo se satura más. Esta relación entre las precipitaciones y la capacidad de infiltración también determina la cantidad de escorrentía que se producirá. Si las precipitaciones se producen 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 poro más pequeños, como la arcilla, tienen una capacidad de infiltración menor y tasas de infiltración más lentas que los suelos que tienen tamaños de poro más grandes, como las arenas. Una excepción a esta regla es cuando la arcilla está presente en condiciones secas. En este caso, el suelo puede desarrollar grietas grandes que conducen a una mayor capacidad de infiltración. ^[3]

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

Después de que se hayan producido incendios forestales pueden desarrollarse suelos hidrófobos , lo que puede disminuir en gran medida o impedir por completo la infiltración.

Contenido de humedad del suelo

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

Materiales orgánicos en los suelos

Los materiales orgánicos del suelo (incluyendo plantas y animales) aumentan la capacidad de infiltración. La vegetación contiene raíces que se extienden hacia 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 a su vez 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

Relación entre superficies impermeables e infiltración

Si el terreno está cubierto por superficies impermeables, como el pavimento, no se puede producir infiltración, 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 suelen tener desagües pluviales que drenan directamente a los cuerpos de agua, lo que significa que no se produce infiltración. ^[5]

La cubierta vegetal del terreno también afecta la capacidad de infiltración. La cubierta vegetal puede provocar una mayor intercepción de las precipitaciones, lo que puede reducir la intensidad y, por lo tanto, generar menos escorrentía y más intercepción. Una mayor abundancia de vegetación también conduce a mayores niveles de evapotranspiración , lo que puede reducir la tasa de infiltración. ^[5]  Los restos 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 las sabanas y pastizales semiáridos, la tasa de infiltración de un suelo en particular depende del porcentaje del suelo cubierto por hojarasca y de la cubierta basal de matas de pastos perennes. En suelos franco arenosos, la tasa de infiltración bajo una cubierta de hojarasca 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 en el suelo o un sello superficial. La infiltración a través de la base de una mata es rápida y las matas canalizan el agua hacia sus propias raíces. ^[6]

Pendiente

Cuando la pendiente del terreno es mayor, la escorrentía se produce con mayor facilidad, lo que conduce a menores tasas de infiltración. ^[5]

Proceso

El proceso de infiltración puede continuar sólo si hay espacio disponible para agua adicional en la superficie del suelo. El volumen disponible para 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 velocidad máxima a la que el agua puede entrar al suelo en una condición dada es la capacidad de infiltración. Si la llegada del agua a la superficie del suelo es menor que la capacidad de infiltración, a veces se analiza utilizando modelos de transporte hidrológico , modelos matemáticos que consideran la infiltración, la escorrentía y el flujo del canal para predecir las tasas de flujo de los ríos y la calidad del agua de los arroyos .

Resultados 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 hacia los poros. Las partículas de arcilla en el suelo pueden hincharse a medida que se humedecen y, por lo tanto, reducir el tamaño de los poros. En áreas donde el suelo no está protegido por una capa de hojarasca 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 recolección 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 afectadas por roturas, grietas o invasión de raíces de árboles , a menudo se produce la infiltración/entrada de aguas pluviales. Esta circunstancia puede provocar un desbordamiento del alcantarillado sanitario o la descarga de aguas residuales sin tratar al medio ambiente.

Métodos de cálculo de infiltración

La infiltración es un componente del balance hidrológico general de masas. Existen varias formas de estimar el volumen y/o la tasa de infiltración de agua en el suelo. El estándar riguroso que acopla completamente el agua subterránea al 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 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. (1982). ^[10] Más allá de estos métodos, existe 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.

Balance hidrológico general

El balance hidrológico general, con todos los componentes, con respecto a la infiltración F. Dadas todas las demás variables y siendo la infiltración la única incógnita, un álgebra simple resuelve el problema de la infiltración.

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

dónde

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

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

${\displaystyle B_{O}}$es la salida 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 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 advertencia sobre este método es que hay que tener cuidado con las variables que se usan y las que se omiten, ya que es fácil encontrar variables duplicadas. Un ejemplo sencillo de variables duplicadas es cuando se incluyen en la ecuación la evaporación, E , y la transpiración, T , además de la evapotranspiración, ET . ET incluye en ella a T y una parte de E . También es necesario tener en cuenta la intercepción, no solo la precipitación bruta.

La ecuación de Richards (1931)

El método 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 su convergencia y, a veces, presenta dificultades con la conservación de la masa. ^[11]

Método de flujo en zona vadosa con contenido finito de agua

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 velocidad de la humedad del suelo ^[12] y comparándola con soluciones analíticas exactas de infiltración utilizando formas especiales de las relaciones constitutivas del suelo. Los resultados mostraron que esta aproximación no afecta el flujo de infiltración calculado porque el flujo difusivo 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 , se garantiza que converge y conserva la masa. Requiere la suposición de que el flujo ocurre solo en la dirección vertical (unidimensional) y que el suelo es uniforme dentro de las capas.

Verde y Ampt

El nombre deriva de dos hombres: Green y Ampt. El método de Green-Ampt ^[14] de estimación de la infiltración tiene en cuenta muchas variables que otros métodos, como la ley de Darcy, no tienen en cuenta. Es una función de la carga 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 humedeciendo el cabezal de succión de suelo frontal (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:

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

Utilizando este modelo se puede encontrar el volumen fácilmente resolviendo para . Sin embargo, la variable que se está resolviendo está en la ecuación misma, por lo que al resolver para esto se debe hacer que la variable en cuestión converja en cero, u otra constante apropiada. Una buena primera estimación para es el valor más grande de o . Estos valores se pueden obtener resolviendo el modelo con un logaritmo reemplazado con 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 carga de agua o la profundidad del agua estancada sobre la superficie, es insignificante. Utilizando el volumen de infiltración de esta ecuación se puede sustituir en la ecuación de tasa de infiltración correspondiente a continuación para encontrar la tasa de infiltración instantánea en el momento en que se midió . ${\displaystyle F(t)}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle Kt}$ ${\displaystyle {\sqrt {2\psi \,\Delta \theta Kt}}}$ ${\displaystyle h_{0}}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle F}$

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

Ecuación de Horton

La ecuación de Horton ^[14] , que debe su nombre al mismo Robert E. Horton mencionado anteriormente, es otra opción viable para medir las 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 estabilizará 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 tasa de infiltración máxima;

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

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

El otro método para utilizar la ecuación de Horton es el siguiente. Puede utilizarse para hallar 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 esta ecuación empírica se debe a su fundador Kostiakov ^[15] y supone que la tasa de consumo 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 que depende de una tasa de entrada final nula. En la mayoría de los casos, la tasa de infiltración se aproxima a un valor finito y constante, que en algunos casos puede alcanzarse después de breves períodos de tiempo. La variante de Kostiakov-Lewis, también conocida como ecuación de "Kostiakov modificada", corrige este problema añadiendo un término de entrada constante a la ecuación original. ^[16]

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

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 argumentarían que este método es demasiado simple y no debería usarse. 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 sobre una longitud arbitraria . En este modelo, se supone que el agua estancada es igual a y la carga de suelo seco que existe debajo de la profundidad de la carga de succión del suelo del frente de humectación se supone que 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 succión de suelo frontal?

${\displaystyle h_{0}}$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 se debe evitar 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 profundidad total imprecisa del subsuelo en cuestión (mm). Esta definición imprecisa explica por qué se debe evitar este método.

${\displaystyle {S_{f}}}$¿Está humedeciendo el suelo frontal la altura de succión ( ) = ( ) (mm) ${\displaystyle {-\psi }}$ ${\displaystyle {-\psi _{f}}}$

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

Véase también

• Techo azul
• 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 (fluido)
• 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 curvas de infiltración del suelo". 2019-03-20.
3. "Soil Infiltration" (PDF) . Departamento de Agricultura de los Estados Unidos . Archivado desde el original (PDF) el 2020-02-08 . Consultado el 2019-03-20 .
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". JAWRA Journal of the American Water Resources Association . 16 (6): 979–986. Bibcode :1980JAWRA..16..979D. doi :10.1111/j.1752-1688.1980.tb02537.x. ISSN  1752-1688.
5. "Infiltración: el ciclo del agua, de la Escuela de Ciencias del Agua del USGS". water.usgs.gov . Consultado el 2 de abril de 2019 .
6. Walker, BH (1974). "Consideraciones ecológicas en la gestión de los ecosistemas semiáridos en el centro-sur de África". Actas del Primer Congreso Internacional de Ecología. Wageningen. págs. 124-129. ISBN 90-220-0525-9. Recuperado el 2 de agosto de 2020 .{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )
7. Hogan, C. Michael (2010). "Factor abiótico" Archivado el 8 de junio de 2013 en Wayback Machine en Encyclopedia of Earth . eds. Emily Monosson y C. Cleveland. Consejo Nacional para la Ciencia y el Medio Ambiente. Washington DC
8. Horton, Robert E. (1933). "El papel de la infiltración en el ciclo hidrológico". Trans. Am. Geophys. Union . 14th Ann. Mtg (1): 446–460. Código Bibliográfico :1933TrAGU..14..446H. doi :10.1029/TR014i001p00446.
9. Green, W. Heber; Ampt, GA (1911). "Estudios sobre física del suelo". Revista de Ciencias Agrícolas . 4 : 1–24. doi :10.1017/S0021859600001441. S2CID  84200455.
10. Parlange, J. -Y.; Lisle, I.; Braddock, RD; Smith, RE (1982). "La ecuación de infiltración de tres parámetros". Soil Science . 133 (6): 337. Bibcode :1982SoilS.133..337P. doi :10.1097/00010694-198206000-00001. S2CID  94729063.
11. Richards, LA (1931). "Conducción capilar de líquidos a través de medios porosos". Física . 1 (5): 318–333. Bibcode :1931Physi...1..318R. doi :10.1063/1.1745010.
12. Ogden, FL; Allen, M.; Zhu, J.; Lai, W.; Seo, M.; Douglas, CC; Talbot, CA (2017). "La ecuación de velocidad de la humedad del suelo". J. Adv. Mod. Earth Syst . 9 (2): 1473–1487. Bibcode :2017JAMES...9.1473O. doi : 10.1002/2017MS000931 .
13. Ogden, FL; Lai, W.; Steinke, RC; Zhu, J.; Talbot, CA; Wilson, JL (2015). "Un nuevo método general de solución de flujo en zona vadosa 1-D". Water Res. Res . 51 (6): 4282–4300. Bibcode :2015WRR....51.4282O. doi :10.1002/2015WR017126. S2CID  119834716.
14. Ingeniería de recursos hídricos , edición 2005, John Wiley & Sons, Inc.
15. Kostiakov, AN "Sobre la dinámica del coeficiente de percolación de agua en los suelos y sobre la necesidad de estudiarlo desde un punto de vista dinámico con fines de mejora". Actas 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, Englewood Cliffs.
17. Hendriks, Martin R. (2010) Introducción a la hidrología física , Oxford University Press

Enlaces externos

• Wiki de hidrología experimental Infiltración – Infiltrómetro de Hood