T5 Infiltracion

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA HIDROLOGÍA INFILTRACION

INFILTRACIÓN Proceso por el cual el agua penetra desde la superficie del terreno en el suelo; se distingue del proceso de percolación porque este último es el movimiento hacia debajo de agua desde o a través de la zona no saturada hasta el nivel freatico o zona saturada. La diferencia entre el volumen de lluva total y el volumen de escorrentía superficial es igual al volumen de infiltración

INFILTRACIÓN INTERCEPCIÓN Comprende el volumen de lluvia que no alcanza a llegar al suelo porque cae sobre las hojas de los arboles y plantas, edificios, étc, donde se evapora posteriormente. DETENCIÓN SUPERFICIAL O ALMACENAMIENTO EN DEPRESIONES Es el volumen de agua que se almacena en depresiones o charcos y luego se evapora.

INFILTRACIÓN HUMEDAD DEL SUELO Volumen de agua que se infiltra y antes de alcanzar el nivel fréatico es removida por las raices de las plantas o por evaporación. EN EL SUELO DEBEN DISTINGUIRSE DOS ZONAS: • Zona No saturada • Zona Saturada

INFILTRACIÓN ZONA SATURADA El volumen ocupado por los poros o vacios que existen entre los granos que componen el suelo está completamente ocupado por agua. ZONA NO SATURADA El volumen ocupado por los poros o vacios que existen entre los granos que componen el suelo está ocupados por agua y aire. La capa de suelo comprendida entre la superficie del terreno y un estrato permeable o la superficie de un depósito de agua subterráneo no confinado, es una zona no saturada, en la cual la humedad tiene diferentes formas.

INFILTRACIÓN HUMEDAD HIGROSCÓPICA: Humedad que se adhiere firmemente a la superficie de las particulas del suelo formando una película delgada. En general, no es humedad disponible para las plantas HUMEDAD CAPILAR: Una pequeña porción del agua de la zona saturada sube por efecto de capilaridad a través de los poros de suelo no saturado. Constituye la mayor fuente de agua para las plantas.

INFILTRACIÓN HUMEDAD GRAVITACIONAL: Es agua que se mueve verticalmente desde la superficie del terreno hasta la zona saturada y permance en el suelo un tiempo relativamente corto.

INFILTRACIÓN Cuando el contenido de humedad es menor que la capacidad de campo, la diferencia entre esos dos valores es la deficiencia de humedad del suelo o déficit de humedad, que representa el agua que el suelo tomara del total que se infiltre en cada lluvia, antes de que aparezcan las otras componentes. Buena parte del agua retenida a la Capacidad de Campo puede ser utilizada por las plantas, pero a medida que el agua disminuye se llega a un punto en que la planta no puede absorberla. En este estado se dice que el suelo está en el punto de marchitez.

INFILTRACIÓN

La diferencia entre la Capacidad de Campo y el punto de marchitez representa la fracción de agua útil (disponible) para el cultivo. Los valores de la Capacidad de Campo y del punto de marchitez pueden expresarse en porcentajes de peso de suelo seco. Una capacidad de campo del 27% significa que 100 g de tierra seca retienen 27 g de agua. Una marchitez del 12% significa que, cuando se alcanza la marchitez de la planta, el suelo tiene 12 g de agua por 100 g de tierra seca. El agua útil (disponible) por la planta sería, pues, 12 g de agua por 100 g de tierra seca.

INFILTRACIÓN PRECIPITACIÓN DIRECTA SOBRE LA CORRIENTE DE AGUA Constituye un porcentaje muy pequeño y en muchos casos se desprecia. AGUA SUBTERRÁNEA Una vez el agua infiltrada ha permitido al suelo llegar a su capacidad de campo, el agua gravitacional comienza a drenar, y parte de ella llega hasta la zona saturada. El nivel freático es la línea que divide la zona saturada de la no saturada, la presión hidrostática en cualquier punto de esta línea es igual a cero. Por encima está la zona capilar con presiones negativas y por debajo la zona saturada con presiones positivas.

INFILTRACIÓN FLUJO SUBSUPERFICIAL Es parte del agua gravitacional que no alcanza a llegar hasta el nivel freático, si no que toma una dirección paralela a la superficie del suelo y sale nuevamente a superficie convirtiendose en escorrentía superficial. ESCORRENTÍA SUPERFICIAL Volumen de agua lluvia que hace su recorrido sin infiltrarse, llegando a una corriente de agua. La escorrentía superficial total es la suma de la escorrentía superficial directa y el flujo subsuperficial.

INFILTRACIÓN CAPACIDAD / TASA DE INFILTRACION (f) Capacidad máxima con que un suelo, en una condición dada, puede absorver agua. Se expresa normalmente en mm/hr. Se define como exceso de precipitación la cantidad resultante de restar la intensidad de lluvia i, en mm/hr, a la capacidad de infiltración f, en mm/hr, en un tiempo dado ∆t Exceso de precipitación = (i-f) ∆t, en mm

INFILTRACIÓN A la capacidad de infiltración sólo se llega durante una lluvia, si el exceso de precipitación es mayor o igual a cero. En caso contrario, la capacidad de absorción de agua del suelo no es máxima, y por consiguiente no es igual a la capacidad de infiltración. Luego,

si i < f ⇒ fo = i si i ≥ f ⇒ fo = f

Donde fo es igual a la capacidad de absorción en mm/hr

INFILTRÓMETROS Consisten básicamente en dos cilindros concéntricos y un dispositivo para medir agua colocada en ambos cilindros. El agua se aplica por medio de asperción, para una mejor simulación de las condiciones reales de la lluvia.

INFILTRÓMETROS El agua colocada en el cilindro interno es la única que se mide. La razón de la existencia de agua en el cilindro externo es la de proveer la cantidad necesaria a la infiltración lateral debida a la capilaridad, dejando la infiltración propiamente dicha para que sea medida solo en relación con el área limitada por el cilindro interno.

INFILTRÓMETROS Estos infiltrómetros se hincan en el terreno. Sin embargo no son representativos de un área extensa y solo pueden utilizarse para estudios reales en los puntos de colocación de los aparatos.

INFILTRÓMETROS DESVENTAJAS DE LOS INFILTROMETROS • Al colocarlos se altera el terreno. • El recorrido de agua infiltrada es diferente del que realiza el agua en un área considerable • La falta de homogeneidad del suelo hace que los resultados del infiltrómetro no puedan ser muy reales respecto a las condiciones de un área mas extensa. • Para la correcta simulación del proceso deben utilizarse simuladores de lluvia, los cuales son onerosos.

INFILTRÓMETROS

INFILTRÓMETROS • Columna 5: Se divide el volumen de la columna 3 por el área del cilindro interno teniendo cuidado con las unidades. • Columna 6: Se divide el volumen de la columna 4 por el área del cilindro interno teniendo cuidado con las unidades. • Columna 7: Se obtiene dividiendo la columna 6 por la columna 2 y teniendo cuidado con las unidades.

INFILTRÓMETROS Al graficar el el tiempo promedio del intervalo (columna 8) en minutos, contra la capacidad de infiltración (columna 7) en mm/hr, resulta una curva del siguiente tipo:

MEDIDA DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACION POR MEDIO DE LA SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL HIDROGRAMA Si se conocen la precipitación y la escorrentía superficial en una hoya, se puede calcular por diferencia, la capacidad de infiltración de la misma, aunque este valor tambien englobará la intercepción y almacenamiento en depresiones. Lo anterior es suficiente en la solución de problemas de ingeniería, dado que normalmente la incognita es la escorrentía a partir de una precipitación y una infiltración dadas.

MEDIDA DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACION POR MEDIO DE LA SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL HIDROGRAMA Para pequeñas hoyas el error producido por el retardo de la escorrentía debido a intercepción y almacenaje en depresiones es menor que para grandes hoyas. Así, para grandes hoyas, se puede como máximo calcular una capacidad de infiltración media.

MEDIDA DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACION POR MEDIO DE LA SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL HIDROGRAMA

MEDIDA DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACION POR MEDIO DE LA SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL HIDROGRAMA • Columna 4: Se obtiene dividiendo los valores de la columna 3 por el área de la hoya y corrigiendo unidades. • Columna 7: Diferencia de los valores de la columna 6 menos la columna 5. • Con el intervalo de tiempo promedio se puede graficar la capacidad de infiltración contra el tiempo

INFILTRACIÓN FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN • Humedad del suelo: Un suelo seco tiene mayor capacidad de infiltración inicial por el hecho de que se suman fuerzas de gravitacionales y de capilaridad. • Permeabilidad del suelo: La permeabilidad es la velocidad de infiltración para un gradiente unitario de carga hidráulica en un flujo saturado a través de un medio poroso.

INFILTRACIÓN FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN La permeabilidad puede ser afectada por factores como cobertura vegetal, compactación del suelo, infiltración de agua, etc. La permeabilidad no depende de las condiciones de contorno, pero si principalmente del tamaño y distribución de los granos del suelo y la temperatura del agua.

INFILTRACIÓN FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN • Temperatura del suelo y condiciones de contorno: Entre las condiciones de contorno se puede enumerar compactación debido a la lluvia, compactación por animales o intervención humana, arado de tierra, fomación de gietas por raices de las plantas, etc.

CÁLCULO DE INFILTRACIÓN - METODO DE HORTON

Horton desarrolló la ecuación de la curva de capacidad de Infiltración contra el tiempo para i ≥ f 𝑓 = 𝑓$ + 𝑓& − 𝑓$ 𝑒 )*+ Donde fo : Fc : k : t:

Capacidad de infiltración inicial (para t = 0) Capacidad de infiltración final (Para t →∞) en mm/hr Constante de decaimiento (t-1), característica de cada cuenca Tiempo de duración de la lluvia en minutos

CÁLCULO DE INFILTRACIÓN - METODO DE HORTON

Si i < f, toda la lluvia se infiltra, pero la variación de f con el tiempo t no se puede expresar en forma matemática. El valor de fc se puede determinar visualmente, de acuerdo con la grafica de la pareja de puntos (f,t); fc se denomina también capacidad de infiltración del suelo saturado. Sí:

𝑓 − 𝑓$ = 𝑓, − 𝑓$ 𝑒 )*+

Log 𝑓 − 𝑓$ = 𝐿𝑜𝑔 𝑓, − 𝑓$ − 𝑘𝑡 log 𝑒 = log 𝑓, − 𝑓$ − 0.43𝑘𝑡

CÁLCULO DE INFILTRACIÓN - METODO DE HORTON

Para determinar k y fo se lleva a cabo un análisis de mínimos cuadrados entre los valores de log(f-fc) y t correspondientes, dado que fc ya ha sido definido

CÁLCULO DE INFILTRACIÓN Tambien se cuenta con los siguientes métodos: • Philip • Green - Ampt

CÁLCULO DE INFILTRACIÓN

INDICE DE INFILTRACIÓN 𝚽 Intensidad de lluvia promedio por encima de la cual la masa de escorrentía superficial es igual a la masa de lluvia neta. Entonces Φ tiene las unidades de intensidad de lluvia (mm/hr). Se determina a partir de una precipitación y una escorrentía superficial medidas en una cuenca particular.

INDICE DE INFILTRACIÓN 𝚽 La diferencia entre el volumen de lluvia total y el volumen de escorrentía superficial es igual al volumen de infiltración. El índice incluye la cantidad de agua de infiltración, la capacidad de agua interceptada y la cantidad de agua dejada en almacenamiento por depresiones. Un cantidad de esta ultima se evapora antes de infiltrarse.

INFILTRACIÓN La infiltración depende de las condiciones del suelo y de la intensidad de la lluvia (creciente)

INFILTRACIÓN ABSTRACCIONES - COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA

INFILTRACIÓN Para el hidrograma de escorrentía mostrado, el caudal base corresponde a escorrentía subterranea más escorrentía subsuperficial. 𝑉;<$ <=> = ? 𝑄 𝑑𝑡 = 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑟𝑣𝑎 𝑑𝑒𝑙 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝑠𝑢𝑝

𝑉;<$ <=> = ℎS< 𝐴$=;Q$R Para un evento lluvioso hEs = Pe Donde Pe es la precipitación neta, eficaz o efectiva

INFILTRACIÓN COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA Pe = Parte de la precipitación que se convierte en escorrentía superficial, luego el coeficiente de de escorrentía C, es: 𝑃; 𝐶 = , 𝑃

(0 < 𝐶 ≤ 1)

INFILTRACIÓN TEORÍA U.S SOIL CONSERVATION SERVICE (SCS) El Soil Conservation Service (SCS) del Departamento de Agricultura de EE.UU. (1960) un procedimiento muy simple para calcular la infiltración, basado en consideraciones teóricas simples y datos de más de 1000 cuencas experimentales tomados en la década de los 50

INFILTRACIÓN El método fue adoptado inmediatamente por la comunidad internacional y se ha convertido en el estándar de cálculo porque: • Utiliza solo un parámetro -que se puede obtener de mapas temáticos generalmente disponibles• Es relativamente realista • No existe ninguna alternativa realista para la modelación matemática.

INFILTRACIÓN El método se basa en una relación de balance de la escorrentía producida por una tormenta

INFILTRACIÓN El método fue adoptado inmediatamente por la comunidad internacional y se ha convertido en el estándar de cálculo porque: • Utiliza solo un parámetro -que se puede obtener de mapas temáticos generalmente disponibles• Es relativamente realista • No existe ninguna alternativa realista para la modelación matemática.

INFILTRACIÓN S : Capacidad máxima de infiltración

INFILTRACIÓN

INFILTRACIÓN NUMERO DE CURVA

El intervalo del número de curva CN es de 0 a 100 y es función de la textura del suelo, la cobertura del suelo y los antecedentes de humedad. Entre menor es el número de curva más bajo es el potencial de escorrentía; las condiciones del suelo están clasificadas en cuatro grupos hidrológicos con base en la textura y la estructura del suelo y con base en la humedad antecedente se definen tres grupos AMC. Entre mas altas sean las condiciones de humedad antecedente mayor será el potencial de escorrentía

INFILTRACIÓN

INFILTRACIÓN

INFILTRACIÓN CONDICIONES ANTECEDENTES DE HUMEDAD

INFILTRACIÓN

INFILTRACIÓN

INFILTRACIÓN

INFILTRACIÓN COEFICIENTE DE ESCORRENTIA

𝑃S (𝑃 − 0.2𝑆)^ 𝐶 = = ^ 𝑃 𝑃 + 0.8𝑆 𝑃 INFILTRACION

𝐹 = 𝑃 − 𝑃S − 𝐼R

INFILTRACIÓN TÉMEZ: Para cuencas pequeñas (1 Km2) P : Pmax 24hr para el tiempo de retorno de diseño Po : 0.2S = (5080-50.8/CN)/CN en [mm]

(𝑃 − 𝑃, )(𝑃 + 23𝑃,) 𝐶 = (𝑃 + 11𝑃,)^

INFILTRACIÓN

Tabla C (VT Chow): Asociada a un periodo de diseño

INFILTRACIÓN MODELO DE INFILTRACIÓN DE HORTON Horton supuso que el cambio en la capacidad de infiltración puede ser considerada proporcional a la diferencia entre la capacidad de infiltración actual y la capacidad de infiltración final, introduciendo un factor de proporcionalidad k.

𝑓> = 𝑓$ + 𝑓& − 𝑓$

)*+ 𝑒

INFILTRACIÓN Donde fp : Capacidad de infiltración (mm/h) k : Factor de proporcionalidad llamado también 'parámetro de decrecimiento'. fc : Capacidad de infiltración final fo : Capacidad de infiltración inicial (Para t=0). t : Tiempo transcurrido desde el inicio de la infiltración. (En minutos).

INFILTRACIÓN La función representada por la ecuación anterior se ilustra en la figura

INFILTRACIÓN El volumen infiltrado (F) en milímetros correspondiente a cualquier tiempo t, es igual a:

Al transformar la ecuación de Horton a una forma logarítmica se obtiene que: log(fp-fc) = log (fo-fc)-k log e. t

INFILTRACIÓN Wilson propone los valores de fo, fc y k que se muestran en la tabla para algunos tipos de suelo.

INFILTRACIÓN Los parámetros de las ecuaciones anteriores son estimados para casos particulares y en condiciones iniciales y de frontera dadas. Durante el transcurso del evento éstos deberían cambiar, efecto que no se manifiesta en las ecuaciones. Además algunos parámetros carecen de interpretación física.

EJEMPLOS

EJEMPLOS De la tabla tenemos Tasa de infiltración Marga Limosa de Alexis 0.3

0.25

Infiltración (pulg/hr

0.2

0.15 Serie1 0.1

0.05

0 0

0.5

1

1.5 T (hr)

2

2.5

3

EJEMPLOS Usando el método de Horton tenemos que:

Con

fo = 0.26 pg/hr fc = 0.01 pg/ hr

EJEMPLOS tiempo (hr) 0 0.07 0.16 0.27 0.43 0.67 1.1 2.53

Tasa de f-fc Infiltración (pulg/hora) (pulg/hr) 0.26 0.25 0.21 0.2 0.17 0.16 0.13 0.12 0.09 0.08 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0

LN (f-fc) -1.386294 -1.609438 -1.832581 -2.120264 -2.525729 -3.218876 -3.912023

EJEMPLOS Al graficar T Vs Log (f-fc), hallamos k t Vs Log (f-fc) 0.000000 0 -1.000000 -2.000000

0.5

1

1.5

2

2.5

y = -2.3399x - 1.4696 R² = 0.9879

3

Log (f-fc)

-3.000000 Serie 1

-4.000000

Lineal (Serie 1)

-5.000000 -6.000000 -7.000000 -8.000000

t (hr)

k = 2.3399 Luego: fp = 0.01 + (0.26 -0.01) e-2.3399 t

EJEMPLOS 0 0.07 0.16 0.27 0.43 0.67 1.1 2.53

Tasa de infiltración Marga Limosa de Alexis

fp 0.26 0.222229432 0.181928195 0.142912088 0.101405342 0.062129339 0.0290596 0.010671336

0.3

0.25

0.2 Infiltración (pulg/hr

t

0.15

Leida Modelo Horton

0.1

0.05

0 0

0.5

1

1.5 T (hr)

2

2.5

3

EJEMPLOS

EJEMPLOS De la tabla tenemos: Tasa de infiltración Arcilla fina de Yolo 0.6

Tasa de Infiltración (cm/hr)

0.5

0.4

0.3 Leido

0.2

0.1

0 0

1

2

3

4 T (hr)

5

6

7

8

EJEMPLOS Usando el método de Horton tenemos que:

Con fo = 0.50 cm/hr fc = 0.17 cm/ hr

EJEMPLOS Infiltración Tasa de f-fc tiempo (hr) acumulada Infiltración (cm/hora) (cm) (cm/hr)

Ln (f-fc)

0

0

0.5

1.07 1.53 2.3

0.54 0.75 1

0.5 0.37 0.29

0.33 -1.108663 0.2 -1.609438 0.12 -2.120264

3.04 3.89 4.85 7.06

1.2 1.4 1.6 2

0.25 0.22 0.2 0.17

0.08 -2.525729 0.05 -2.995732 0.03 -3.506558 0

EJEMPLOS Al graficar T Vs Log (f-fc), hallamos k t Vs Log (f-fc) 0.000000 0

1

2

3

4

5

6

7

8

-1.000000

y = -0.613x - 0.6068 R² = 0.98798

Log (f-fc)

-2.000000

Serie 1

-3.000000

Lineal (Serie 1) -4.000000

-5.000000

-6.000000

t (hr)

EJEMPLOS k = 0.613 Luego:

fp = 0.17 + (0.50 -0.17) e-0.613 t t

0 1.07 1.53 2.3 3.04 3.89 4.85 7.06

fp 0.5000 0.3413 0.2992 0.2506 0.2212 0.2004 0.1869 0.1744

EJEMPLOS Tasa de infiltración Arcilla fina de Yolo 0.6

Tasa de Infiltración (cm/hr)

0.5

0.4

0.3

Leido Modelo Horton

0.2

0.1

0 0

1

2

3

4 T (hr)

5

6

7

8

EJEMPLOS