Infiltración (hidrología)

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

Corte 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 Estados Unidos ).

La infiltración es el proceso por el cual el agua de la superficie del suelo ingresa al suelo . Se utiliza comúnmente tanto en hidrología como en ciencias del suelo . La capacidad de infiltración se define como la tasa máxima de infiltración. Generalmente 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 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 , los parámetros y los simuladores de lluvia son 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 la precipitación tienen un impacto. Las precipitaciones provocan tasas de infiltración más rápidas que cualquier otro evento de precipitación, como la nieve o el 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 a medida que el suelo no está saturado, pero a medida que pasa el tiempo, la tasa de infiltración disminuye a medida que el suelo se vuelve más saturado. Esta relación entre lluvia y capacidad de infiltración también determina cuánta escorrentía ocurrirá. Si la lluvia ocurre a un ritmo mayor que la capacidad de infiltración, se producirá escorrentía.

Características del suelo

La porosidad de los suelos es crítica para determinar la capacidad de infiltración. Los suelos que tienen tamaños de poros más pequeños, como la arcilla, tienen una menor capacidad de infiltración y tasas de infiltración más lentas que los suelos que tienen tamaños de poros 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 grandes grietas que conllevan 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]

Los suelos hidrofóbicos pueden desarrollarse después de que se hayan producido 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 completamente insaturados tienen la mayor capacidad de infiltración.

Materiales orgánicos en suelos.

Todos los materiales orgánicos del suelo (incluidas 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 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

Relación entre superficies impermeables e infiltración.

Si el terreno está cubierto por superficies impermeables, como 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 infiltración. ^[5]

La cobertura vegetal del terreno también impacta la capacidad de infiltración. La cubierta vegetal puede provocar una mayor interceptación de la precipitación, lo que puede disminuir la intensidad y provocar menos escorrentía y más interceptación. Una mayor abundancia de vegetación también conduce a niveles más altos de evapotranspiración que pueden disminuir la cantidad de tasa de infiltración. ^[5]  Los desechos de la vegetación, como la cubierta foliar, también pueden aumentar la tasa de infiltración al proteger los suelos de precipitaciones intensas.

En 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 los mechones de pastos perennes. En suelos franco arenosos, la tasa de infiltración bajo una capa 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 o sello superficial del suelo. 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 del terreno es mayor, la escorrentía se produce con mayor facilidad, lo que conduce a tasas de infiltración más bajas. ^[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 ingresar al suelo en una condición determinada es la capacidad de infiltración. Si la llegada del agua a la superficie del suelo es menor que la capacidad de infiltración, en ocasiones se analiza mediante modelos de transporte hidrológico , modelos matemáticos que consideran la infiltración, la escorrentía y el caudal del canal para predecir los caudales de los ríos y la calidad del agua de las corrientes .

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 hacia 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 mojan 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 del 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 constan de un conjunto de líneas, uniones y estaciones de bombeo para conducir las aguas residuales a una planta de tratamiento de aguas residuales . Cuando estas líneas se ven comprometidas por rupturas, grietas o invasión de raíces de árboles , a menudo ocurre infiltración/afluencia de aguas pluviales. Esta circunstancia puede provocar un desbordamiento del alcantarillado sanitario , o vertido de aguas residuales sin tratar al medio ambiente.

Métodos de cálculo de infiltración.

La infiltración es un componente del balance hidrológico del balance de masa general. Hay 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 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 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 ellos se encuentran el método de Green y Ampt (1911) ^[9] , Parlange et al. (mil novecientos ochenta y dos). ^[10] Más allá de estos métodos, existen una serie 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 hidrológico general, con todos los componentes, respecto a la infiltración F . Dadas todas las demás variables y la infiltración es la única incógnita, 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 infiltración, que puede medirse como volumen o longitud;

${\displaystyle B_{I}}$es la entrada límite, que es esencialmente la cuenca 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 de detención ;

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

R es escorrentía superficial .

La única nota sobre este método es que hay que ser prudente acerca de qué variables usar y cuáles omitir, ya que es fácil encontrar dobles. Un ejemplo sencillo de variables de doble conteo es cuando la evaporación, E , y la transpiración, T , se colocan en la ecuación así como la evapotranspiración, ET . ET ha incluido en él T así como una porción de E. También es necesario tener en cuenta la interceptación, no sólo la precipitación bruta.

La 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 la masa. ^[11]

Método de flujo de 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 en el suelo. Esto se estableció comparando la solución del término similar a 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 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 converger y conservar masa. Requiere la suposición de que el flujo ocurre únicamente en dirección vertical (unidimensional) y que el suelo es uniforme dentro de las capas.

Verde y amplio

El nombre se deriva 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 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 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 elegir fácilmente resolver el volumen de infiltración o la tasa de infiltración instantánea:

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

Con este modelo se puede encontrar el volumen fácilmente resolviendo . Sin embargo, la variable que se está resolviendo está en la ecuación misma, por lo que al resolverla se debe configurar la variable en cuestión para que converja en cero u otra constante apropiada. Una buena primera suposición es el valor mayor de o . Estos valores se pueden obtener resolviendo el modelo con un 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 suponer 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 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 lleva el nombre del 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 alcance 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 momento 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. Se puede utilizar 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 según 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 admisión final cero. En la mayoría de los casos, la tasa de infiltración se acerca a un valor finito y estable, lo que en algunos casos puede ocurrir después de cortos períodos de tiempo. La variante de Kostiakov-Lewis, también conocida como ecuación de "Kostiakov modificada", 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 omite la profundidad de infiltración acumulativa y, por lo tanto, es incompleto porque supone que el gradiente de infiltración se produce en una longitud arbitraria . En este modelo se supone que el agua estancada es igual a y que la carga de suelo seco que existe debajo de la profundidad de la carga de succión del suelo del frente mojado 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 vaga profundidad total del subsuelo en cuestión (mm). Esta vaga definición explica por qué se debe evitar este método.

${\displaystyle {S_{f}}}$está mojando la altura de succión del suelo frontal ( ) = ( ) (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 (fluido)
• Número de curva de escorrentía
• Modelo de gestión de aguas pluviales
• Sistemas de drenaje urbano sostenible

Referencias

1. MB, Kirkham (2014). "Prefacio a la segunda edición". Principios de las relaciones suelo-agua . 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 . Archivado desde el original (PDF) el 8 de febrero de 2020 . Consultado el 20 de marzo de 2019 .
4. Dadkhah, Manouchehr; Gifford, Gerald F. (1980). "Influencia de la vegetación, la cobertura de rocas 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 .{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )
7. Hogan, C. Michael (2010). "Factor abiótico" Archivado el 8 de junio de 2013 en Wayback Machine en Encyclopedia of Earth . editores 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. Soy. Geofís. Unión . 14to ann. Reunión (1): 446–460. Código bibliográfico :1933TrAGU..14..446H. doi :10.1029/TR014i001p00446.
9. Verde, W. Heber; Ampt, GA (1911). "Estudios sobre Física del Suelo". La 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". Ciencia del suelo . 133 (6): 337. Bibcode : 1982SoilS.133..337P. doi :10.1097/00010694-198206000-00001. S2CID  94729063.
11. Richards, Luisiana (1931). "Conducción capilar de líquidos a través de medios porosos". Física . 1 (5): 318–333. Código Bib :1931Physi...1..318R. doi :10.1063/1.1745010.
12. Ogden, Florida; Allen, M.; Zhu, J.; Lai, W.; Seo, M.; Douglas, CC; Talbot, California (2017). "La ecuación de la velocidad de la humedad del suelo". J. Adv. Modificación. Sistema Tierra . 9 (2): 1473–1487. Código Bib :2017JAMES...9.1473O. doi : 10.1002/2017MS000931 .
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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 VI Congreso de la Sociedad Internacional de Ciencias del Suelo . Moscú. págs. 17-21.
16. Caminante, 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 del Wiki de Hidrología Experimental - Infiltrómetro de campana