03 El Agua en El Suelo y Subsuelo

El agua en el suelo y subsuelo

Introducción a la zona no saturada

Introducción a la zona no saturadaEs la fracción de terreno que se halla entre la superficie

del suelo y el nivel freático de los acuíferos libres. Los poros de la zona no saturada presentan un contenido de agua menor al de saturación. Se divide en 3 subzonas:

a) Subzona de evapotranspiración: comprendida entre la superficie del terreno y el plano de flujo cero. Aquí tienen influencia los procesos atmosféricos principalmente los generados por la presencia de raíces. Tienen lugar los procesos de flujo y transporte preferencial como los de adsorción de productos orgánicos por parte de la fracción arcillosa.

b) Subzona de aireación: se halla entre el plano de flujo cero y el límite superior de la franja capilar, en donde los procesos hidrodinámicos que se producen por flujo matricial son más estables que en la subzona anterior. El agua llega aquí por flujo preferencial y al suprimir el efecto gravitacional queda como agua de retención y/o capilar aislada. Suelen generarse niveles saturados colgados sobre capas impermeables.

c) Subzona capilar: encima del nivel freático donde el contenido de agua en el medio poroso es igual o similar al de saturación y está a P° negativa. Se genera por ascenso capilar del a.freática

Interfaz agua-suelo-aireEn la ZNS coexisten tres fases:

• Suelo

• Agua

• Aire

El suelo constituye a la matrix sólida y está formada por partículas que varían tanto en composición química como mineralógica (tamaño, forma y orientación). A esta fase se suma las substancias amorfas, en particular materia orgánica adherida sobre los granos minerales.

El agua y aire ocupan en distintas proporciones los poros del terreno. En la ZS no hay poros con aire.

Tipos de agua en el suelo• Agua Higroscópica: ocupa los microporos de las partículas por fuerzas de adsorción y no se desplaza más que en estado de vapor. Se halla en la subzona de evapotranspiración

• Agua pelicular: rodea las partículas de suelo en forma de una delgada película. No se desplaza por gravedad ni transmite la P° hidrostática. Se extrae por centrifugación

• Agua capilar: retenida por las fuerzas de capilaridad y está en equilibrio en los poros por la acción de la tensión superficial (atracción mutua de las moléculas de agua). Transmite la P° hidrostática

• Agua gravífica: rellena los poros y se mueve por acción de la gravedad

CapilaridadEs la capa especial que se forma entre un líquido o gas o dos líquidos inmiscibles, aparentemente debido a la atracción de moléculas del líquido bajo la superficie. La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

Cuando una gota de agua se apoya sobre una superficie sólida plana se forma un ángulo de contacto ɣ entre elementos. Existen 3 tipos de contacto o formas de humedecimiento sobre una superficie sólida:

• Si ɣ= 0°, la superficie está totalmente húmeda y el sólido es hidrofílico

• Su 0< ɣ <90° la superficie no se humedece por completo y el sólido es parcialmente hidrofílico

• Si ɣ > 90° la superficie no se humedece y el sólido se llama hidrofóbico

Capilaridad

Cuando las fuerzas adhesivas son mayores que las fuerzas cohesivas, el menisco tiende a ser cóncavo

como en el caso de vidrio y agua. Por otra parte cuando las fuerzas cohesivas son superiores a las adhesivas, el menisco es convexo como en el caso

de mercurio en vidrio.

Capilaridad: tensión superficial

En física se denomina tensión superficialal fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad, por ejemplo.A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidad es entre el líquido y el gas.La tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia del líquido a disminuir en lo posible su superficie para un volumen dado, de aquí que un líquido en ausencia de gravedad adopte la forma esférica, que es la que tiene menor relación área/volumen.Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será a disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible.www.wikipedia.org

Capilaridad: tensión superficial

Puede concluirse que: la ascensión capilar es inversamente proporcional al radio del poro. Puesto que la tensión del suelo suele expresarse como la altura de una columna de agua (h) sobre la superficie de agua libre se concluye que con un diámetro de poro decreciente aumentará la tensión de humedad del suelo y viceversa.

Diámetro del poro

Tensión de humedad

del suelo

3,5

0

3000 1

1

10000

Cuanto más pequeño es el poro, mayor será la tensión de humedad del suelo y viceversa. Por lo tanto cuando la porosidad es menor, mayor presión ejercerá el líquido para ascender.

Características del medio físico

Textura: es la distribución granulométrica del suelo. Esencial para estudiar el flujo de agua y los procesos físicos químicos que se dan en la ZNS. Las fracciones gruesas se determinan por tamizado y las finas por pipeteado o densimetría.


Estructura: es el grado de agregación de las partículas del suelo y el espacio de huecos asociados, como resultado de interacciones fisicoquímicas entre las arcillas y grupos funcionales de materia orgánica. Según el tipo de agregación hay funciones porales que determinan la existencia de micro a macroporos que influirán en la manifestación de flujos preferenciales con su reducción de tiempo de contacto entre agua y suelo.


Mineralogía: es la composición mineralógica y su cuantificación de los tipos de arcillas presentes en el suelo (illita, esmectita, caolinita, etc) en los estudios de ciertos procesos de adsorción (cambio iónico) que dependen de la capacidad de cambio y de los procesos de degradación de plaguicidas y otros compuestos orgánicos.

Densidad (aparente, mineral):

La densidad aparente (bulk density) del suelo es la relación entre la masa de partículas del suelo (secada al horno) y el volumen total, incluyendo el espacio poroso que ocupan. Esta medida permite: transformar los porcentajes de humedad gravimétrica del suelo en términos de humedad volumétrica; calcular la porosidad total del suelo y estimar el grado de compactación del suelo. Depende de la textura y estructura del tipo de suelo.

La densidad mineral o densidad de las partículas del suelo tiene valores medios del orden de los 2,6 a 2,7 grs/cm3. La presencia de óxidos de hierro y metales pesados incrementa este valor mientras que la presencia de materia orgánica lo disminuye.

Porosidad (m): la porosidad de un suelo se reconoce como la fracción de espacios vacíos que contiene un material sólido con respecto al volumen total. Se puede determinar: m= 1- (densidad aparente/ densidad mineral)

Rango de valores de la porosidad:

Grava 25 a 40%, arena 25 a 50%, limo 35 a 50% y arcilla 40 a 70%



Micro y macroporosidad (según Beven, 1981): la ZNS está constituída por 3 categorías de poros que se diferencian por sus implicancias en la hidrodinámica e hidrostática:

a) Poros submicroscópicos, muy pequeños que encierran moléculas de agua pero sobre los cuales no es posible la aplicación de leyes del movimiento del agua.

b) Poros capilares, donde la forma de la interfase entre el agua y el aire es determinada por la configuración de poros y por las fuerzas de la interfase resultando en el menisco capilar (capilaridad). El flujo en este tipo de poros es laminar y dominante.

c) Macroporos, son de tamaño suficiente de manera tal que el menisco no se genera. La forma de la interfase entre el aire y el agua es plana y por lo tanto las fuerzas capilares son nulas. La forma de los macroporos es tubular o planar. La tubular es originada por fauna o el decaimiento de raíces vegetales; las otras están formadas por fisuras y grietas del terreno debido a cambios en el contenido de humedad.

Características del medio físicoContenido de humedad:


El potencial del agua en el suelo

El potencial de agua se define como: “El trabajo que se requiere para transferir una cantidad de agua unitaria desde un nivel de referencia dado donde el potencial se toma como cero hasta la posición donde el potencial tiene el valor definido” El potencial da una idea del estado de energía y por lo tanto de la disponibilidad de agua en el suelo. A < potencial, < cantidad de aguaLos potenciales son escalares y no vectores; es decir solo tienen magnitud y no dirección. Los componentes básicos del potencial total del agua en el suelo son:• Potencial matricial• Potencial gravitacional• Potencial osmótico

El potencial del agua en el suelo: Potencial matricialPotencial matricial

El potencial matricialpotencial matricial es el resultado de las fuerzas generadas (adsorción o succión capilar) entre la matrix del suelo y el agua contenida en los poros del mismo, por la acción combinada de la tensión superficial, atracción molecular e intercambio iónico. También se lo llama potencial del agua del suelo, de capilaridad o humedecimiento. En la ZS tiene valores positivos mientras que en la ZNS, negativos.El gradiente del potencial mátrico puede actuar en cualquier dirección, especialmente en la zona radicular. Se expresa: Pm=p/d, donde p es la presión del contacto agua-suelo y d es la densidad del agua. Se mide en centímetros o mbar.

El potencial del agua en el suelo: Potencial gravitacionalPotencial gravitacional

El potencial gravitacionalpotencial gravitacional es la energía resultante de la fuerza de gravedad que actúa sobre el agua en un punto determinado y se toma a partir de algún plano de referencia, usualmente la superficie del terreno o también la superficie de agua libre.Se expresa: Pg= g.z, donde z es la diferencia con respecto al nivel de referencia (z=0) que podría ser donde el Potencial matricial es igual a cero, si el mismo fuese el nivel de agua libre. Tiene un signo positivo y tiende a desplazar al agua a capas más profundas.

El potencial del agua en el suelo: Potencial osmóticoPotencial osmótico

El potencial osmóticopotencial osmótico es debido a las sales y tiene importancia en suelos salinos. Tiene una influencia muy limitada en el potencial total del agua, salvo en suelos arcillosos muy salinos. Tienen lugar cuando una barrera muy efectiva se interpone entre dos puntos de igual elevación. Dichas barreras la forman las superficies de las raíces, puesto que un estrato arcilloso denso y compacto solo actúa como una barrera imperfecta semipermeable, es decir, una membrana permeable para el agua pero no para las sales.

El potencial del agua en el suelo: Definición simplificadaDefinición simplificada

P = Pm + PgP = Pm + Pg

Y su expresión en términos de energía es: H= h + zH= h + z, donde H es el potencial hidráulico, z (cm) es la distancia a partir del nivel de referencia, positivo hacia arriba y negativo hacia abajo, mientras que h (cm) es la tensión matricial que para terrenos no saturados h< 0Existen 3 direcciones posibles para los gradientes del potencial mátrico:• Flujo cero:Flujo cero: cuando el gradiente de potencial cero (o de potencial mátrico) es igual y opuesto al del potencial gravitacional.• Flujo ascendente:Flujo ascendente: cuando el gradiente de potencial gravitacional es menor al de potencial mátrico (hay evaporación)• Flujo descendenteFlujo descendente: cuando el gradiente de potencial gravitacional es mayor al de potencial mátricoEstas condiciones pueden presentarse al mismo tiempo en diferentes profundidades de la ZNS: • El punto en el cual se produce el cambio de gradiente se llama plano de flujo cero que puede ser:• Divergente si del mismo se establece el flujo hacia arriba o hacia abajo• Convergente si se dirige hacia el.

Curvas característicasTambién llamadas curvas de retención de humedad (CRH) del suelo.Grafican la relación entre la tensión matricial y el contenido de humedad del suelo. Son típicas para un suelo determinado considerando su grado de consolidación, arreglo geométrico y agregación de las partículas y otras características químicas y biológicas. Si la tensión en cm de agua se expresa como el logaritmo de la misma, el gráfico se llama “Curva pF” (pF= log10[h])Se usan para determinar:• Humedad disponible en el suelo que puede ser usada por las plantas• El espacio poroso drenable• Cambios en la estructura del suelo• La relación entre la tensión y otras propiedades físicas del sueloLas curvas presentan dos secciones: una donde dominan las condiciones de drenaje rápido dependiente de los agregados y por ende la estructura y otra determinada por la textura del material sedimentario. El límite entre estos dominios depende de cada suelo en particular.

Curvas características

Drenaje Drenaje rápidorápido

DependeDepende

de lade la

TexturaTextura

deldel

materialmaterial

Capacidad de Campo:"el contenido hídrico del suelo, luego de que el mismo haya sido saturado por la lluvia o

por el riego y se ha vuelto muy lenta la percolación del agua gravitatoria (es ésta

relativamente estable)" Se define como el contenido de agua en el perfil de un suelo superficial por debajo del cual el drenaje se hace despreciable. Cantidad de agua que puede tener un suelo cuando se pierde el agua gravitatoria de flujo rápido, después de pasados unos dos días de las lluvias (se habrá perdido algo de agua por evaporación y consumo de las plantas).

La capacidad de campo consiste en tomar la humedad de una muestra extraída en el campo dos días después de un lluvia importante. Generalmente se considera que así se obtiene una humedad en exceso (especialmente para los suelos de texturas finas) debido a que incluiría parte del agua de desagüe lento. Por esto es que se aconseja medir la capacidad de retención en el laboratorio a través de la determinación de “humedad equivalente”.

Punto de marchitez:”Es el contenido hídrico del

suelo en el que las plantas se marchitan y ya no pueden recuperarse al agregar más agua".

Es el grado de huemedad de un suelo que rodea la zona radicular que no puede ser extraída por las raíces ya que la fuerza de succión de las mismas es menor que la retención del agua por el terreno.

La capacidad de almacenamiento máxima de un suelo se considera equivalente a la diferencia entre capacidad de campo y punto de marchitez permanente multiplicada por la profundidad de interés.

El punto de marchitez es un concepto agronómico y se determina en laboratorio sometiendo la muestra a 15 atmósferas de presión y determinando su grado de humedad.

El agua contenida corresponde al agua higroscópica más el agua capilar no absorbible. Se distinguen aquí el punto de marchites temporario a aproximadamente 10 atm. (la planta se recupera de su estado de marchites si se entrega agua al suelo) y el punto de marchitez permanente (el estado de marchites de la planta es irreversible).

HistéresisLa relación entre la tensión matricial y el contenido de humedad se puede obtener de 2 modos:• Desecamiento• HumedecimientoAmbas curvas no son coincidentes. El equilibrio en el suelo para una determinada succión es mayor en desecamiento que en humedecimiento. Esta dependencia del estado del contenido de humedad en un suelo según sea la dirección del proceso que se está desarrollando se llama histéresishistéresis. La histéresis se atribuye a la acción de varios factores:• Aire entrampado en poros aislados• Efecto cuello de botella en poros no uniformes interconectados• Diferencia entre el ángulo de contacto del agua con las paredes del material sólido cuando se encuentra en fase humedecimiento o desecamiento. Generalmente, la histéresis provoca una disminución de la tasa de variación del contenido de humedad cuando el proceso de humedecimiento es interrumpido y es reemplazado por el de drenaje y viceversa.

Histéresis

Conductividad hidráulicaEn los terrenos saturados, la conductividad hidráulica (K) se relaciona directamente con las características intrínsecas del suelo y de las propiedades del fluido contenido en dicho suelo. Es la propiedad de un medio sólido, el terreno, de dejar pasar un fluido sin modificación de su estructura ni arrastre de sus partes.

En el medio saturado también es función del estado de humedad de la zona no saturada. El valor de K decrece de manera exponencial a medida que disminuye el valor de humedad o aumenta la succión. Esto es debido a que al ser drenado el suelo, los poros se vacían y disminuye el área de la sección de flujo.

Tipos de mediciones del contenido de humedad

Mediciones directas:• Humedad gravimétrica

• Humedad volumétrica

Mediciones indirectas• Sonda de neutrones

• TDR

• Tensiómetros

Técnicas de medición del contenido de humedad

Gravimetría: primero se debe determinar la humedad de una muestra del suelo. Se puede expresar gravimétricamente, con base en la masa, o volumétricamente, con base en el volumen. La humedad gravimétrica es la forma básica de expresar la humedad del suelo y se entiende por ella la masa de agua contenida por unidad de masa de sólidos del suelo.

%Humedad gravimétrica= 100x [M del suelo – M del suelo secado al horno/M suelo secado al horno], donde M es la masa

La masa secada al horno es la que ha perdido toda su agua. Se secan las muestras en un horno eléctrico a 100°C por 24 horas hasta lograr un peso constante en pesadas sucesivas.


La humedad volumétrica se puede considerar también como la lámina de agua contenida en una unidad de profundidad del suelo. La humedad volumétrica expresa la humedad del suelo en términos independientes de la densidad aparente del suelo y facilita la comparación del almacenaje de agua en distintos tipos de suelo con densidades aparentes diferentes. La expresión en base volumétrica es:%Humedad volumétrica= 100x(vol. de agua en el suelo/vol.total del suelo). La relación entre la humedad volumétrica y la gravimétrica es: Hv= HgxDa/Dag, donde Da es la densidad aparente del suelo (g/ml), Dag es la densidad del agua (g/ml), Hv humedad volumétrica y Hg gravimétrica.


Sonda de neutrones: este es un método indirecto, no destructivo, que utiliza una fuente de neutrones rápidos (energía cinética de aproximadamente 2MeV) cuya densidad disminuye al interactuar con el medio alrededor de la fuente. La fuente de emisión de neutrones rápidos más común en investigación suele ser de Am – 241: Be que se complementa con un detector de neutrones lentos, de He-3.

La fuente de Americio es más conveniente puesto que libera partículas α alfa, que presentan una radiación menor que las gama aportadas por otros tipos de fuentes. La humedad está relacionada con la pérdida de energía cinética de los neutrones que es mayor cuando estos colisionan contra átomos de menor peso atómico. El hidrógeno es el elemento más abundante en los suelos en general y por lo tanto es el principal responsable de la dispersión y termalización de los neutrones rápidos. Se necesitan 17 colisiones sobre los núcleos de hidrógeno para reducir la energía original de 1 Mev a 0, 025 ev, 136 sobre el oxígeno y 240 sobre el silicio.

Sonda de neutrones


TDR: mide instantáneamente el contenido de humedad volumétrica del suelo a la profundidad deseada. Consta de varillas metálicas que se introducen en el suelo y un emisor receptor de impulsos magnéticos. Genera un pulso electromagnético y mide el tiempo que tarda en recorrer las varillas, que será mayor o menor atendiendo al contenido de humedad del suelo. Un procesador convierte automáticamente las lecturas de Ka en contenido de agua volumétrica del suelo.


Tensiómetro: Son aparatos que miden la succión o fuerza que ejerce el suelo sobre el agua. A medida que el suelo pierde agua la succión aumenta, es decir, el suelo ejerce mas fuerza para retener agua. Por lo tanto observando cómo varía el valor de la succión podemos saber la evolución del agua en el suelo. Normalmente se instalan dos tensiómetros a distintas profundidades de esta forma podriamos medir gradientes hidráulicos y por tanto conocer la dirección de los flujos de agua en el suelo.Antes de enterrar el tensiómetro en el suelo es necesario llenarlo de agua eliminando cualquier burbuja de aire. Para ello se introduce en un cubo de agua, y quitando el tapón que obtura herméticamente el extremo opuesto al que va situado la cápsula porosa, se llena de agua mediante succión utilizando una bomba de mano. Una vez el agua rebose por el extremo, cerramos de nuevo el tapón. En estas condiciones, el agua que llena la sonda esta a la presión atmosférica y el vacuómetro marca cero.Como la cápsula cerámica es permeable al agua y a las sales disueltas, el agua del interior de la sonda acaba adquiriendo la misma concentración salina de la solución del suelo. Por esta razón no sirve para medir el potencial osmótico, a menos que vaya equipada con algún tipo de sensor salino auxiliar.Las medidas de presión hidrostáticas están limitadas a potenciales matriciales inferiores a 1 atm. Para tensiones superiores, puede penetrar aire en el interior de la sonda a través de la cápsula porosa y se rompería la continuidad de la columna líquida

Tensiómetros

Somos cuerpo , alma y espíritu.Con el cuerpo nos conectamos a través de los sentidos: tocamos, gustamos, vemos, olemos, oímos...confirmamos El alma es la cuna de nuestras emociones: alegrías, tristezas, amor, odio, soberbia, humildad, temor, confianza...nos conectamos con otros y con lo creadoCon el espíritu nos comunicamos con Dios...nos relacionamos con El CreadorHOY la "nueva era" dice ser la que "despierta las almas" y así es porque usa de diversas alternativas para que el alma pueda experimentar nuevas emociones. La nueva era da ilusiones, pero no nos relaciona con Dios.¿Como nos conectamos con Dios?...HAY QUE TENER UN NACIMIENTO ESPIRITUAL, VIDA ETERNA...cuando recibes en tu vida a Jesucristo como Salvador, Dios VIVIFICA TU ESPIRITU QUE AHORA ESTÁ MUERTO, SIN VIDA...es por medio de Cristo que puedes llamar Padre a Dios y conocerle porque Su Espíritu viene a vivir en ti...No desperdicies más tiempo en ilusiones, no desperdicies tu vida comprando espejitos de colores, no hay otras vidas, no hay reencarnaciones, hay una sola vida y es ésta que estás viviendo, eres una creación única de Dios y hay eternidad en ti...tu decides donde pasarás la eternidad, a la LUZ de Dios o en tinieblas.JESÚS murió por tus pecados. Murió el Justo por los injustos, El vino a salvar a pecadores, si crees que El murió por ti, que fue sepultado, resucitado de entre los muertos,y ascendido a los Cielos, serás salvo de la condenación. El Señor Jesucristo está Vivo sentado a la diestra del Padre, El puede oírte, si hoy invocas Su nombre en arrepentimiento por TODOS tus pecados, El es fiel para limpiarte de toda maldad con Su Sangre Preciosa y serás sellado por el Espíritu Santo de la Promesa. No tienes idea de lo maravilloso que es Sentir Su PAZ, SU PRESENCIA, SU LUZ.

"Mis ovejas oyen mi voz y yo las conozco y me siguen"JESÚS

Que el Señor te bendiga, guarde y guíe =)

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