Pérdidas por Infiltración en una Cuenca Hidrográfica – Aspectos Básicos

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Pérdidas por Infiltración en una Cuenca Hidrográfica – Aspectos Básicos

Dependiendo del método utilizado en el cálculo del caudal de la Escorrentía Superficial en una Cuenca Hidrográfica, las Pérdidas por Infiltración en ella serán estimadas bien sea a partir de coeficientes como el de Escorrentía en el Método Racional o, como en el caso que presentamos a continuación, a partir de valores típicos y ecuaciones como la de Horton, con la cual es posible determinar la Capacidad de infiltración de determinado suelo.

¿Qué es la Infiltración?

La Infiltración es el proceso a través del cual el agua penetra desde la superficie de la Cuenca Hidrográfica en el suelo. En términos sencillos, se puede entender que es la velocidad con la que el agua penetra en el perfil del suelo, empezando esta penetración prácticamente desde el mismo momento en que empieza la lluvia en consideración, manteniéndose inclusive tiempo después de que ésta cesa.

De esta manera, dependiendo de las características del suelo, así como del tipo de cobertura superficial en la Cuenca Hidrográfica, las Pérdidas por Infiltración serán mayores o menores en la misma medida que las condiciones de dicho suelo faciliten o dificulten la capacidad de infiltración, respectivamente.

Específicamente se puede decir que la Velocidad de Infiltración dependerá de factores tales como:

  • La Cobertura del Suelo (con vegetación, sin vegetación, etc.)
  • Tipo de suelo (arcillas, arenas, etc), lo cual establecerá el nivel de permeabilidad de éste.
  • Condición de Humedad del Suelo antes del inicio de la lluvia: es de esperarse que si el suelo está seco, las Pérdidas por Infiltración iniciales sean mayores a que si la condición de humedad antecedente es alta, en la cual el suelo no estará susceptible a recibir mucha agua desde la superficie.
Otros factores, quizá de menor significancia, podrían ser la compactación del suelo (debido a la misma lluvia o al paso de animales, por ejemplo), pendiente de la cuenca la cual, en la medida que tiende a ser de baja a nula, tenderá a favorecer el proceso de Infiltración.
Manual de Instalaciones Sanitarias

Capacidad de Infiltración

La capacidad de infiltración es la capacidad máxima con que un suelo, en una condición dada, puede absorber agua. Se denota con la letra F y se expresa normalmente en mm/hr.

La restricción principal del Fenómeno de infiltración está condicionada a que la Capacidad de infiltración no podrá ser mayor que la Intensidad de la Precipitación sobre la superficie del suelo, pues de ser éste el caso (en el que toda el agua se infiltrará) no se puede estimar las Pérdidas por Infiltración de forma matemática.

La estimación de la Capacidad de Infiltración se puede realizar mediante la expresión de Horton quien estableció que, para cualquier suelo bajo lluvia constante, la Velocidad de Infiltración decrece en el tiempo de acuerdo a la siguiente ley:

Capacidad-de-Infiltracion-Ecuacion-de-Horton

Donde:

F: Capacidad de infiltración en un tiempo t (mm/hr).
fc: Capacidad de infiltración para un tiempo t muy grande (mm/hr). Es la capacidad de equilibrio, obtenida cuando el suelo está completamente saturado.
fo: Capacidad de infiltración inicial, t=0. (mm/hr).
t: Tiempo trasncurrido desde el inicio de la lluvia (min).
K: Constante para un suelo y superficie particulares.(min-1)

 

La constante K es una función de las condiciones de la superficie del suelo (cobertura vegetal, por ejemplo). Un suelo recubierto de vegetación tendrá valores de K pequeños, mientras que los suelos sin vegetación (desnudos) tendrán valores mayores. fc y fo dependen igualmente del tipo de suelo y su cobertura.

La bibliografía del tema presenta, para estos coeficientes, los valores representativos siguientes:

Tipo de Suelo

fo

(mm/hr)

fc

(mm/hr)

K

(min-1)

Desnudo

280

6-220

1,6

Agrícola estándar con materia orgánica.

900

20-290

0,8

Pantanoso

325

2-20

1,8

Arenoso fino desnudo

210

2-25

2

Arcilloso con materia orgánica.

670

10-30

1,4

 

El valor de fc es función de la pendiente hasta un valor límite en el orden del 16 a 24%. A partir de allí la variación es despreciable.

En el caso de K y fo, se tiene que son prácticamente constantes para un suelo determinado, variando muy poco con la pendiente de la cuenca y/o la intensidad de la lluvia.

Estimación de la Capacidad de Infiltración a Partir de Mediciones

La medición de la infiltración en campo se realiza a través de los Infiltrómetros, los cuales son generalmente tubos abiertos en sus extremos, de aproximadamente 30 cm de diámetro y 60 cm de longitud, enterrados en el suelo unos 50 cm.

El procedimiento de medición de las Pérdidas por Infiltración consiste en suministrarle agua al Infiltrómetro, tratando de mantener el nivel constante, midiéndose la cantidad de agua necesaria para ésto durante varios intervalos de tiempo. Se debe continuar con las medidas hasta que se obtenga una capacidad de infiltración aproximadamente constante.

Algunas de las desventajas de la medición con Infiltrómetros son: el impacto de las gotas de lluvia en el terreno no es tenido en cuenta (compactación) y, al enterrar el tubo en el suelo, en mayor o menor grado, genera una alteración en sus condiciones, lo cual podría alterar los resultados obtenidos.

En virtud de lo anterior los resultados sólo serán representativos en áreas de poca extensión y en estudios locales en los puntos de colocación de los aparatos.

Veamos en el siguiente ejemplo como, a partir de los resultados de una prueba con Infiltrómetro, se pueden determinar los coeficientes de la Ecuación de Horton y poder así estimar las Pérdidas por Infiltración a partir de ella.

Los resultados de medidas de volumen acumulado de agua vs tiempo, hechas con un Infiltrómetro para determinar la capacidad de infiltración de un terreno, se muestran en la tabla siguiente:

Tiempo desde el inicio de la Prueba

(min)

Volumen acumulado de agua adicionada

(cm3)

0

0

2

300

5

650

10

1190

20

1950

30

2500

60

3350

90

3900

150

4600

El diámetro del Infiltrómetro es de 35 cm. Determinar la capacidad de infiltración para los diferentes intervalos de tiempo y estimar los parámetros fo y fc de la ecuación de Horton.

Resolución

A partir de los volúmenes acumulados se procede a calcular la capacidad de infiltración para los diferentes intervalos de tiempo empleando la expresión:

Calculo-Capacidad-de-Infiltracion

Donde A es el área del Infiltrómetro:

Area-del-Infiltrometro

De esta forma se obtienen los valores de capacidad de infiltración siguientes:

Tiempo desde el inicio de la Prueba

(min)

Volumen acumulado de agua adicionada

(cm3)

f

(cm/min)

2

300

0,156

5

650

0,121

10

1190

0,112

20

1950

0,079

30

2500

0,057

60

3350

0,029

90

3900

0,019

150

4600

0,012

De aquí se puede establecer que los parámetros fo y fc de la ecuación de Horton son:

fo = 0,156 cm/min

fc = 0,012 cm/min

Al graficar los valores de la tabla anterior en función del tiempo, obtenemos la curva de Pérdidas por Infiltración siguiente:

Curva-Capacidad-de-infiltracion

En la cual se aprecia la tendencia a la estabilización de la capacidad de infiltración conforme aumenta el tiempo.

Hidrología Ambiental, Primera Edición. Edilberto Guevara P., Humberto Cartaya. Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo, Venezuela. Mayo 2.004.

Hidrología en La Ingeniería. Germán Monsalve Sáenz, 2da Edición. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Colombia, Enero 1.999

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