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INTRODUCCIÓN
Prácticamente hasta principios del siglo XIX nose completó el modelo conceptual del ciclo hidroló-gico que rige en la actualidad, y que comenzó a jus-tificarse entre el Renacimiento y la Ilustración conla medida instrumental y científica de algunos desus componentes (Solís, 1990).
El paso de la fase atmosférica a la terrestredel ciclo hídrico es, desde el punto de vista hu-mano, una de las etapas más importantes. En esepaso, el agua de la precipitación se transforma enescorrentía, susceptible de ser aprovechada direc-tamente, o en evapotranspiración, que, en culti-vos o en bosques, puede ser aprovechada por elhombre indirectamente, por medio de la vegeta-ción.
La transformación de la precipitación en esco-rrentía es difícil de determinar por la cantidad defactores que intervienen (evapotranspiración, diná-mica en medio no saturado), muchos de ellos de-pendientes de la escala de trabajo. Esa dificultadqueda reflejada en la estimación de la recarga a losacuíferos, que es uno de los procesos más difícilesde comprender por gran parte de no especialistas(Bach y Brusi, 1988), y presenta también las mayo-res incertidumbres en cualquier balance hídricosubterráneo, existiendo para su cálculo numerososmétodos (Scanlon et al., 2002).
Sin embargo, se han desarrollado diferentes mé-todos de campo para intentar comprender y cuanti-ficar el comportamiento del agua que cae sobre elterreno y atraviesa la parte superior del mismo, con-dicionado por las características hidráulicas del me-dio no saturado por el que circula el agua.
Los métodos de campo para medida directa deagua por infiltración tienen la desventaja de represen-tar sólo una pequeña porción de terreno respecto a lasuperficie total, y de basarse en el comportamiento deuna superficie encharcada. Tienen la ventaja de quese puede realizar un número considerable, por lo quese pueden aplicar métodos geoestadísticos y sirvenpara preparar y calibrar modelos matemáticos. Haypues que comparar y complementar resultados obte-nidos por distintos métodos (campo, laboratorio, mo-delización). La comparación de resultados obtenidospor diversos métodos ha sido objeto de múltiples tra-bajos, entre otros los de Reynolds et al. (2000), Mu-ñoz-Carpena et al. (2002) o Herman et al. (2003).
Entre los métodos más utilizados para estudiarel comportamiento del agua desde que cae a tierrahasta pasar a la zona saturada se pueden mencionarlos lisímetros y los infiltrómetros de anillo. Los lisí-metros son instalaciones en las que se aísla una por-ción del terreno y se experimenta sobre él bajo dife-rentes condiciones hídricas y biológicas. Este temaya fue tratado, desde el punto de vista de la didácti-ca del ciclo del agua por Bach y Brusi (1988).
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EVALUACIÓN DE PÉRDIDAS DE AGUA Y PARÁMETROS HIDRÁULICOS MEDIANTE ENSAYOS DE INFILTRACIÓN EN CAMPO
Using infiltration tests to evaluate water losses and hydraulic parameters in field works
RESUMEN
Se propone la realización de un taller sobre herramientas y métodos de caracterización y estudio “insitu” de la zona no saturada, medio en el que se producen procesos de evapotranspiración y por el quecirculan las aguas de recarga hacia el nivel freático. Se centrará en una metodología basada en ensayosde infiltración que permite considerar todas las etapas de caracterización del medio no saturado en cam-po, y cuya aplicación última sería la obtención de modelos conceptuales de funcionamiento del flujo deagua y transporte de solutos.
ABSTRACT
A workshop about field methods and tools used in unsaturated zone studies is proposed. It is focusedon a methodology based on infiltration measurements in cylinder infiltrometers, but involving every ne-cessary step to characterize the unsaturated zone in field works. The ultimate goal of this methodology isto achieve conceptual models of water flow and solute transport in the unsaturated zone.
Palabras clave: Infiltración, métodos de campo, zona no saturadaKeywords: Field methods, infiltration, unsaturated zone
Silvino Castaño, Luis Moreno, Almudena de la Losa, Héctor Aguilera, María Emilia Jiménez, Rosa Mediavilla (*)
(*)Departamento de Investigación y Prospectiva Geocientífica. Instituto Geológico y Minero de España. C/Ríos Rosas, 23. 28003-Madrid. e-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected].
Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2008. (16.1) 64-71I.S.S.N.: 1132-9157
En cuanto a los infiltrómetros de anillo, el méto-do se basa esencialmente en la medida de la pérdidade agua a partir de una fuente (en este caso un cilin-dro relleno de agua) con el tiempo. Permite estimardeterminadas propiedades hidráulicas en condicio-nes saturadas o próximas a la saturación (Youngs,1991), especialmente la conductividad hidráulicavertical, a partir de la velocidad de infiltración,cuando la cantidad de agua que se infiltra por unidadde tiempo permanece prácticamente constante.
Han sido utilizados tradicionalmente en el cam-po de la agronomía, a veces para comprender laevolución de las aguas de riego, pero su uso estámuy extendido en todas las áreas del conocimientorelacionadas con el flujo del agua en el medio nosaturado, siendo de interés la historia, el comporta-miento actual y la evolución hidroquímica de laszonas de recarga.
El taller que se propone consiste en la realiza-ción de ensayos de infiltración en campo, centrán-dose en la técnica de los infiltrómetros de anillo.Dado que, como se ha comentado, esta técnica estámuy extendida, es posible encontrar fácilmente re-ferencias a las formas de realización y representa-ción de resultados (ver por ejemplo http://www.glo-be.gov/sda/tg97es/suelos/Infiltracion.html o Cox,2006). Sin embargo los ensayos de infiltración seintegrarán en un cuerpo metodológico que permitehacer una revisión del material, etapas y las técni-cas complementarias necesarias para la caracteriza-ción completa del medio no saturado. Los princi-pios de esta metodología pueden encontrarse enMoreno (2003)
Con la realización del taller en la Finca “El En-cín” del Instituto Madrileño de Investigación y De-sarrollo Rural, Agrario y Alimentario (IMIDRA) sepuede mostrar el gran valor práctico de este tipo demétodos.
Infiltrómetros de anillo
Como se ha mencionado, es un método tradicio-nal para realizar ensayos de infiltración en campo y,por tanto, estimar la conductividad hidráulica delterreno. El ensayo más sencillo consiste en introdu-
cir una determinada cantidad de agua en un cilindrometálico y medir en el tiempo la cantidad de aguaque se pierde por infiltración. Ese caudal tiende adisminuir con el tiempo, cuando el medio tiende ala saturación, y se puede relacionar con la conducti-vidad hidráulica saturada del material.
Existen dos tipos de infiltrómetros de anillo ocilindro (Fig. 1), el doble anillo (con el que se in-tenta eliminar el efecto de la expansión lateral delbulbo de humedecimiento bajo el anillo central) y elanillo único. Las variedades de ensayos en estos in-filtrómetros son múltiples, destacando los grupos deensayos a carga constante (manteniendo el nivel delagua en el anillo), y los más utilizados de ensayos acarga variable. En Bouwer (1986) y Youngs (1991)se describen el uso, aplicaciones y resultados que sepueden obtener de estos tipos de infiltrómetros.
Las dimensiones de la mayor parte de esos apa-ratos (decenas de cm de diámetro) implican que elpapel de la estructura del terreno en el proceso deinfiltración en situaciones próximas a la saturaciónsea muy significativo, pero quizá, por ello, repre-sentan una escala intermedia adecuada entre el me-dio real y las pequeñas muestras analizadas en labo-ratorio.
Las dimensiones del ensayo también le hacenadecuada para combinarlo con otras técnicas (carac-terización hidráulica de las muestras de terreno enlaboratorio, ensayos de trazadores, infiltrometría,modelización matemática), mediante una metodolo-gía que se ha denominado ensayo de infiltracióncontrolada. Este ensayo, el planteado para el taller,permite, por tanto, conocer técnicas y herramientasde campo para el estudio de la zona no saturada.
Ensayo de infiltración controlada
Se trata de ensayos hidráulicos de infiltración, acarga variable y a carga constante, con o sin inyec-ción de trazador. Tiene su principal aplicación en laelaboración de modelos matemáticos de flujo ytransporte en el suelo y el resto de la zona no satura-da, a los que proporciona datos básicos como son lasconductividades hidráulicas, una visión de la hetero-geneidad del punto de ensayo, dispersividades, etc.
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Fig. 1. Infiltrómetros de doble anillo y anillo único
Este tipo de ensayo sirve además como punto de re-ferencia en la calibración de modelos matemáticos.
En esencia, la técnica consiste en la inyecciónde agua, a carga constante o variable, en el suelo enestudio (mediante la técnica de infiltrómetro de ani-llo único), su posterior muestreo, análisis e interpre-tación de resultados. Para ello es necesario tomarmuestras inalteradas para conocer las propiedadeshidráulicas, conocer el estado del suelo antes de re-alizar el ensayo (perfil de humedad y concentracio-nes en el tiempo inicial), preparar un ensayo de tra-zador al mismo tiempo que se realiza la infiltración,controlar la evolución vertical y horizontal del bul-bo de humectación durante el ensayo, y tomarmuestras a distintas profundidades y distancias delcentro del ensayo una vez finalizado éste.
Procedimiento operativo para la realización deun Ensayo de Infiltración Controlada
Como cualquier trabajo realizado en campo encondiciones reales, está sujeto a numerosos impre-vistos que pueden alterar su desarrollo e incluso im-pedir su realización, sin embargo, una correcta pla-nificación evitará la mayor parte de los posiblesinconvenientes.
La secuencia de operaciones se resume los si-guientes pasos:
1) Comprobación del equipo de campo
Es necesario comprobar que se dispone de todoel material necesario, que se encuentra en condicio-nes operativas y que se dispone de los repuestos ne-cesarios para solucionar in situ cualquier contingen-cia que pudiera surgir.
En la tablas 1 y 2 se presentan sendas listas del ma-terial necesario para la localización del ensayo y parala realización de un ensayo estándar (una inyección acarga constante y una inyección a carga variable).
2) Preparación de las soluciones de trazado/in-yección
Para preparar la solución de inyección/trazadoes necesario asegurarse del aprovisionamiento deagua en la zona en estudio. Si no se dispone de aguacerca del punto de ensayo, habrá que llevarla desdela base.
La disolución trazadora se prepara inicialmen-te en forma de disolución madre concentrada, aña-diendo una bolsita de los productos ya pesados enun bidón con 5l, es importante asegurar la perfectadilución de todo el contenido de la bolsa. Estaoperación puede llevarse a cabo el día previo alensayo.
Los agentes empleados como trazadores se de-ben seleccionar en base a los objetivos del estudio.En muchos casos el balance de especies nitrogena-das es significativo en la evolución del medio (zo-nas agrícolas, vertederos de residuos sólidos urba-nos, filtros verdes). Por ello se pueden seleccionarlos trazadores que aparecen en la tabla 3. La tabla 4puede utilizarse como ejemplo para el seguimientode las concentraciones de los compuestos de la so-lución.
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Item nº Descripción Nº de OKunidades
1 Mapa 12 GPS 13 Cuaderno de campo 14 Bolígrafo 25 Rotulador indeleble 2
Tabla 1. Material general de campo
Nº de unidades
Item Descripción 1 cilindro 2 cilindros OK
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10111213141516171819
Regleta medida nivelEmbudo relleno aguaBolsas trazador polivalente (para 5 L, 8x)Bidón de plástico de 10 L, preparación 5xBidón de plástico de 50 L, premezclaManguera para trasvaseCilindro metálico infiltraciónEquipo montaje cilindro infiltración (tapa y mazo)Cinta métricaCronometroSonda perforación 2 metrosCilindros metálicos (50 mmî)Kit de pala, piqueta y espátulaBolsas muestra sueloBotellas de plástico 0,5 LRollo de cinta americanaLámina de plastico de 2 x 2 mTermómetroEvaporímetro
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3006311
Tabla 2. Material necesario para el ensayo de inyección (dos ensayos simultáneos)
3) Localización y selección del punto de ensayo
Una vez en la zona de trabajo habrá que selec-cionar el punto en el cual realizar el ensayo. El pun-to elegido debe ser representativo del proceso y dela zona que se quiere estudiar, debe ser accesiblecon el equipo, debe permitir la instalación del anillode infiltración (terrenos pedregosos o con abundan-cia de raíces gruesas no son adecuados para este ti-po de ensayos), no deben existir zonas de infiltra-ción incontrolada (como grietas) y debe permitir lainstalación del cilindro metálico de forma que nohaya escapes de agua por los laterales y penetre losuficiente en el terreno (unos 5cm). Esta últimacondición y con la necesidad de poder tomar las
muestras de suelo con una barrena manual son lamayor limitación de la técnica descrita
4) Toma de muestras
Es necesario tomar muestras de terreno para ca-racterizarlo antes y después del ensayo, con el finde caracterizar el medio hidráulicamente y estable-cer las condiciones iniciales de humedad/tensión yel fondo de los trazadores.
Para caracterizar en laboratorio las algunas pro-piedades del material es necesaria la toma de mues-tras inalteradas mediante cilindros calibrados (Fig.2). A partir de las muestras tomadas de esta forma sepuede medir la densidad aparente (masa de material
67Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2008 (16.1)
Nombre Fórmula Solubilidad Pm Límite de Masa en la química en agua (uma) detección solución de
g/100 g H2O (mg/l) inyección (mg/l)
Nitrato potásico KNO3 38 101,1
Nitrato amónico NH4NO3 208 80,1
Ácido bórico H3BO3 5,7 61,8
Fosfato cálcico Ca(H2PO4)2·H2O 2 252
Cloruro sódico NaCl 36 58,4
Tabla 3.- Ejemplos de trazadores empleados en los ensayos de inyección
Tabla 4.- Concentración en la solución trazadora
Especies Fórmula Concentración trazada química en la solución
a inyectar
Nitrato NO3-
Amonio NH4+
Borato BO3
Potasio K+
Fósforo P2O5
Cloruro Cl-
Fig. 2. Toma de muestras de terreno para caracterización del medio. Izda., muestras alteradas; dcha., mues-tras inalteradas.
sólido frente al volumen de terreno que ocupa), laporosidad (volumen de huecos frente a volumen deterreno), la conductividad hidráulica o establecer lacurva de retención (relación entre la tensión delagua en el terreno y la humedad en el mismo). En latabla 5 se muestra el ejemplo de un estadillo para latoma de muestras de caracterización hidráulica.
Para establecer los perfiles iniciales de hume-dad, el fondo de trazadores o las muestras granulo-métricas no es preciso de las muestras estén inalte-radas, por lo que es suficiente utilizar cualquiertomamuestras manual que se adapte al tipo de terre-no (Fig. 2). La tabla 6 corresponde un estadillo detoma de muestras para la realización de perfiles dehumedad y extractos solubles.
5) Montaje de los cilindros de inyección
El anillo de infiltración suele ser un cilindro deacero de dimensiones variables. Los propuestos tie-nen 33cm de diámetro, 40cm de altura y 2mm deespesor, biselado en uno de sus extremos para po-der penetrar mejor en el suelo. Estas dimensionespueden, sin embargo, provocar problemas de trans-porte, especialmente si se necesita además transpor-tar el agua del ensayo.
El cilindro debe quedar introducido en el terreroal menos 5cm, y además, ha de quedar lo mejor ni-velado posible. Para ello se utiliza una tapa metálicaque permite su clavado en el suelo con más comodi-dad, empleándose una maza pesada que no rebote.
El cilindro estará bien instalado si no presentaninguna fuga de agua por su lateral a lo largo de laexperiencia. No se debe manipular el terreno quequeda en el interior del perímetro del cilindro perose puede compactar por fuera, o incluso formar unabarrera con algo de material de la zona.
6) Desarrollo de la inyección
La inyección comienza con el llenado del cilin-dro y la medida del nivel del agua en el mismo(Fig. 3). A determinados tiempos se debe medir laaltura de la lámina de agua en el cilindro. Si el en-sayo se realiza a nivel constante se mide el tiemponecesario para el descenso originado por una deter-minada cantidad de agua (p.e. 1cm).
Es conveniente, de manera simultánea al ensayo,monitorizar la temperatura atmosférica, la del terre-no y medir la evaporación en lámina libre medianteun evaporímetro (puede ser importante si la tempe-ratura es elevada o el ensayo se alarga en el tiempo).
En todo momento se debe vigilar la aparición defugas de agua, que como se ha explicado, harían ne-cesario desmontar el equipo y volver a iniciar el en-sayo en otro punto.
7) Toma de muestras
Una vez finalizada la inyección se deben tomarmuestras de terreno, al menos en el centro del cilin-dro, para realizar un perfil de humedad y contenidoen las especies del trazador, si es posible hasta150cm de profundidad, con muestras cada 10cm. Esconveniente tomar muestras en dos planos perpen-diculares en los límites del cilindro y fuera de ellos,a distintas profundidades.
Si se va a realizar posteriormente una modeliza-ción es muy importante conocer el tiempo transcurri-do desde el comienzo o finalización del ensayo hastaque se recogen las muestras, recomendándose un pe-ríodo de 24 horas desde que dejó de haber agua en elcilindro, o desde que se dejó de realizar el ensayo.
En la tabla 6 se muestra el estadillo correspon-diente a la recogida de muestras para la realización delos perfiles de humedad y extractos solubles finales.
8) Preparación y envío al laboratorio
Una vez realizado el ensayo, es necesario enviarlas muestras recogidas al laboratorio, siguiendo lasespecificaciones propias de cada tipo de muestra(líquida, sólida alterada, sólida no alterada, etc.).Como recordatorio, las muestras recogidas son:
- Muestra de la disolución trazadora.- Perfil y catas, en las proximidades del punto
elegido para la inyección, antes de iniciar el ensayopara obtener la humedad y los solutos del extractodel suelo a tiempo cero.
- Muestras no alteradas en cilindros metálicos de100 cm3, cada capa identificada en el perfil que seprotegen frente a la evaporación mediante la coloca-ción de una tapa y/o o un envoltorio de plástico, to-mando réplicas, para las siguientes determinacionesen laboratorio: Conductividad hidráulica (mínimo 3réplicas para cada orientación), caja de arena/caolín(3 a 6 réplicas) y densidad aparente (3 réplicas).
- También para cada capa identificada se debentomar 2 muestras de unos 100g, en bolsa de plásticocon cierre hermético, determinar textura y conteni-do en materia orgánica y en carbonatos. Con estamuestra además es calcula la humedad en situaciónde alta tensión, es deseable alterar la muestra lo me-nos posible, y transportarla evitando que sufra com-presiones ni deformaciones.
- Muestras de 7 catas en un plano XY perpendi-cular a la superficie del terreno (y en otro planoXY’ opcional, en caso de observarse anisotropía enel terreno), extrayendo, mediante un taladro manualde muestreo, una muestra cada 10cm de profundi-dad, para determinar humedad y solutos del extrac-to del suelo al final del ensayo.
68 Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2008 (16.1)
Fig. 3. Ensayo de infiltración realizado en un nivelinferior a la superficie del terreno, con regla parala medida de la variación del nivel del agua.
69Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2008 (16.1)
Tabla 5. Estadillo para la toma de muestras de caracterización hidráulica
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Tabla 6. Estadillo para la toma de muestras para humedad y extracto soluble
AGRADECIMIENTOS
La utilización y puesta a punto de parte del ins-trumental y la metodología utilizadas en el taller seha llevado a cabo gracias a los proyectos CGL2005-06458-C02-01/HID y CGL2006-13915/CLI del Mi-nisterio de Educación y Ciencia, y a la colaboracióndel Instituto Madrileño de Investigación y Desarro-llo Rural, Agrario y Alimentario y el Departamentode Edafología de la Facultad de Farmacia de la Uni-versidad Complutense de Madrid.
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Bouwer, H. (1986): Intake rate: Cylinder infiltrome-ter, in Methods of Soil Analysis, Part 1. Physical and Mi-neralogical Methods. Agronomy Monograph no. 9. (2ndEdition). American Society of Agronomy-Soil ScienceSociety of America. Madison. Pág. 825-844
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Herman, S., Mertens, J., Timmerman, A.; Feyen, J.(2003). Comparison of tension infiltrometer, single-ring
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Moreno, L., Ed. (2003): La depuración de aguas resi-duales urbanas de pequeñas poblaciones mediante infil-tración directa en el terreno. Serie: Hidrogeología yAguas Subterráneas nº 4. Instituto Geológico y Minero deEspaña. Madrid. 168 pp. (http://aguas.igme.es/igme/pu-blica/depuracion_aresidual/*.pdf, en 2008, donde * co-rresponde a los números 1 a 9)
Muñoz-Carpena, R.; Regalado, C.M.; Álvarez-Bene-di, J.; Bartoli, F. (2002). Field evaluation of the new Phi-lip-Dunne permeameter for measuring saturated hydraulicconductivity. Soil Science, 167(1), 9-24
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Fecha de recepción del original: 30 abril 2008.Fecha de aceptación definitiva: 1 junio 2008.
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