PRUEBA DE INFILTRACION CON CILINDROS INFILTROMETROS

1. GENERALIDADES

Para diseñar un sistema de riego es importante conocer cuál es la capacidad del suelo para absorber agua o dicho de otro modo, cuál es la velocidad con que el agua penetra en el suelo.

La prueba de infiltración puede servir también como un índice para evaluar las prácticas de manejo de un suelo, el efecto sobre el suelo del paso de las maquinarias, etc.

Una de las formas con que se mide la infiltración es usando cilindros abiertos en surcos extremos y que en este caso se conocen con el nombre de infiltrómetros según las dimensiones de los cilindros o de la profundidad a la que son introducidos en el suelo, la velocidad de infiltración puede variar, por lo que conviene usar cilindros de dimensiones fijas e introducirlos siempre a la misma profundidad. Generalmente, se usan dos cilindros colocados en forma concéntrica, estando el cilindro interno colocado a mayor profundidad en el extremo. Al hacerse la prueba se llenan a la vez los dos cilindros, de modo que el agua que se halla entre los dos cilindros, al infiltrarse sirva para evitar en lo posible el movimiento lateral del agua que se infiltra del cilindro interior, y que en este cilindro se hacen las mediciones de la infiltración.

Al introducirse los cilindros ocurrirán alteraciones del suelo y afectarán en cierto grado las medidas que se hagan.

Muchos factores pueden afectar la velocidad de infiltración, entre los cuales mencionaremos los siguientes:

1. Clase de suelo: textura, estructura, densidad aparente del suelo.

2. Condición de la superficie del suelo: presencia de residuos de vegetales, etc., si han sido laborados recientemente o no, etc.

3. Contenido de humedad inicial del suelo, a través de su perfil, especialmente en la capa superficial.

4. Permeabilidad del suelo.

5. Agujeros hechos por roedores, lombrices, resquebrajaduras.

6. Presencia de capas endurecidas en el perfil del suelo.

7. Residuos de raíces.

8. Carga hidrostática del agua.

9. Temperatura del agua y del suelo.

10. Contenido de sales del suelo y en especial el contenido de sodio intercambiable.

11. Aire confinado.

2. MATERIALES Y EQUIPO

Juego de 2 cilindros de acero o fierro galvanizado de 2mm.de espesor y de las siguientes dimensiones:

Cilindro interior: 25cm de diámetro, 40 cm de altura

Cilindro exterior: 50cm de diámetro, 25cm de altura

Equipo para la instalación de los cilindros. Plancha de metal o viga de madera y comba.

1 Escalímetro

Cronómetro o reloj

Tiza o algún marcador

2 Láminas de plástico de 50cm x 50cm

2 Baldes

1 Gancho medidor

3. PROCEDIMIENTO

3.1 Selección del lugar

El lugar o lugares para la prueba deben ser representativos del área de terreno en el cual se quiere conocer la infiltración. Siempre que no se quiera conocer las características de la infiltración de condiciones especiales del suelo. Los lugares estarán alejados de los caminos y se deberá retirar cualquier material que se encuentre circunstancialmente sobre la superficie del suelo sin que este pueda afectar la condición de la misma.

3.2 Descripción del lugar

Se hará un examen y descripción del perfil del suelo antes de iniciarse la prueba y de un lugar cercano a los lugares donde se realizarán las pruebas, se harán las observaciones considerando los factores que pueden afectar la infiltración. Así por ejemplo, se determinará la textura, estructura, densidad aparente, contenido de humedad del suelo, etc., así como se hará referencia sobre si el suelo ha sido cultivado, cosechado recientemente, está terronudo, presenta costras, etc.

3.3 Instalación de los cilindros

3.3.1 Introducir el cilindro interior en el lugar deseado mediante golpes de comba aplicado sobre la plancha de metal que se halla colocada sobre el cilindro. El cilindro se introducirá 15cm

3.3.2 Introducir el cilindro extremo de la misma manera anterior, pero hasta llegar 10cm dentro del suelo.

3.3.3 Precauciones

Los cilindros se introducirán en el suelo verticalmente y en forma regular de modo que no se inclinen para ningún lado en ningún momento, y así evitar en lo posible que se altere apreciablemente la condición de la superficie del suelo.

Después de la introducción de los cilindros, se asentará con cuidado el suelo con la mano, removiendo lo que se encuentra adyacente a las paredes internas de los cilindros.

3.3.4 Llenado de los cilindros de agua

Se colocarán extendidas las láminas de plástico sobre la superficie del suelo.

Llenar rápidamente los cilindros con agua hasta una altura aproximada de 10cm. El agua caerá directamente sobre las láminas de plástico. Es preferible que dos personas, actuando simultáneamente, llenen por separado cada cilindro. Si esto no es posible, se llenará primero el cilindro exterior y en seguida rápidamente el cilindro interior.

3.3.5 Lectura de las mediciones

- Las mediciones de la infiltracíon siempre se harán en el cilindro interior.

- La infiltración es determinada por la diferencia de nivel de agua en un intervalo de tiempo determinado.

- Rápidamente, después del llenado del cilindro interior, se medirá la altura del nivel de agua con el escalímetro, con su gancho medidor que tiene un índice. Se continuarán las mediciones a intervalos de tiempo previamente determinado. Al principio, los intervalos de tiempo serán cortos y después podrán ser aumentados.

- Observe en la figura cómo se usa un escalímetro y el gancho medidor para determinar la diferencia de nivel de agua en un tiempo determinado. Se hará una señal en el borde del cilindro interior, al nivel del cual se harán siempre las lecturas.

- Cuando se ha infiltrado alrededor de 3 a 5cm de altura de agua de los cilindros se procederá a llenarlos nuevamente procurando alcanzar el mismo nivel de agua. Esta operación debe ser hecha rápidamente.

- Se deberá tener cuidado de registrar el nivel de agua, inmediatamente antes y después de cada llenado de agua, de modo que el intervalo de tiempo transcurrido en el llenado será considerado como cero.

Al final de la prueba se retiran los cilindros del suelo y se limpian completamente para evitar el deterioro de los mismos.

La prueba durará hasta que la infitración se haga sensiblemente constante (aproximadamente 4 h en suelos de textura media.

La infiltración parcial es la que ocurre entre dos lecturas consecutivas.

La infiltración acumulada es la que ocurre en un intervalo de tiempo cualquiera desde la iniciación de la prueba.

La velocidad de infiltración promedio es la infiltración acumulada referida a la infiltración en cm/hora.

La velocidad de infiltración instantánea es la infiltración parcial referida a la infiltración en cm/h.

5. DEFINICIONES Y ECUACIONES QUE LA GOBIERNAN

Lámina acumulada. (D), es la cantidad de agua, expresada en centímetros o pulgadas que se percola en el suelo en un tiempo determinado.

Graficando la lámina infiltrada VS, tiempo transcurrido se tiene los resultados siguientes

Ia cm

Inf A

cum

ula

da D

(en

cm

)

Tiempo en minutos TEn papel milimetrado

c

Tiempo en minutosEn papel logaritmico

Inf.

Acu

mul

ada

D (

en c

m)

Rostiakov propuso la siguiente ecuación empírica para la línea recta:

D = CTm

Donde:

D = lámina acumulada en cm

C = lámina acumulada cuando el tiempo es un minuto

T = tiempo transcurrido

m = pendiente de la recta positiva (línea vertical entre distancia horizontal)

Velocidad de infiltración instantánea (Ii) es la relación entre la lámina infiltrada en un momento dado y el tiempo empleado. Se expresa en cm/h ó en pulgadas/hora.

La expresión matemática para la velocidad de infiltración instantánea se encuentra derivando con respecto al tiempo la ecuación dada para la lámina acumulada (D).

Así tenemos:

Ii= 60 CmT m-1

Los valores C y m son constantes y para simplificar hacemos:

60cm = ki

m-T = n

y obtenemos:

Ii = Ki Tn

En donde:

Ii = velocidad de infiltración instantánea en cm/h en un tiempo T.

Ki = velocidad de infiltración instantánea en cm/h cuando el tiempo es 1 min.

n = pendiente de la recta en el papel doble logarítmico (negativa)

El factor 60 se introduce para expresar la velocidad en cm/h en lugar de cm/min

I

cm/hr

Ia cm/hr

Ii cm/hr

Tiempo en minutosEn papel milimetrado

Ka

Ki

Ia

Ii

Tiempo en minutosEn papel logaritmico

Velocidad de infiltración acumulada o promedio (Ia)

Es la relación entre la lámina acumulada (D) y el tiempo acumulado (T). Tal como se ve en el gráfico anterior en papel doble logarítmico (D vs T) es una recta y su expresión matemática se obtiene, por lo tanto dividiendo la lámina acumulada entre el tiempo acumulado:

Ia = CT m-1

y expresando Ta en cm/h, tendremos:

Ia = 60 CTm-1

Si llamamos:

Ka = 60 c

n = m-1

Ia = Ka Tn

En donde:

Ia = Infiltración acumulada o promedio en un tiempo T, en cm/h

Ka = Infiltración acumulada en cm/h cuando el tiempo es un minuto

n = Pendiente de la recta en el papel doble logarítmico (negativa)

Velocidad de infiltración básica (Ib)

Es una velocidad de infiltración instantánea tomada cuando la proporción de cambio entre dos valores continuos es menor del 10%.

Para obtener su expresión matemática, diferenciamos la infiltración instantánea con respecto al tiempo.

Considerando solo la igualdad:

Uniformizando unidades:

60

Donde T= 600 n (en minutos)

Vendría a ser el tiempo T (en minutos) teórico, al cual ocurriría la infiltración básica Ib. Como se ve, es igual a 600 n, siendo n la pendiente negativa de la recta de velocidad instantánea ( papel logarítmico).

En la práctica generalmente la Ib se alcanza mucho antes del tiempo teórico T = 600n, por lo que este valor matemático debe usarse con reserva y confrontándolo siempre con los datos reales de las pruebas de campo.

Presentación de resultados:

1) Completar la hoja de datos de campo adjunta

2) Graficar lámina de infiltración acumulada vs tiempo acumulado (en papel milimetrado y logarítmico, que se adjuntan)

3) Graficar velocidad de infiltración instantánea vs tiempo en ambos papeles.

4) Graficar velocidad de infiltración acumulada o promedio vs tiempo en ambos papeles

5) Deduzca las fórmulas encontradas el tiempo teórico al cual se produciría la Tb, compare con el tiempo encontrado en el gráfico al cual según su criterio ya se alcanza prácticamente la Tb.

6) Encuentre el tiempo necesario para infiltrar una lámina de 10, 20 y 30 cm respectivamente.

HORATiempo Minutos Lectura

(cm)Infiltración cm Velocidad de Infiltración

(cm/hr)Parcial Acumulado Parcial Acumulada0 0 18.9 D Ti Ta

30” 30” 18.7 0.2 0.2 24 2430” 1’ 18.5 0.2 0.4 12 241’ 2’ 18.4 0.1 0.5 3 151’ 3’ 18.3 0.1 0.6 2 121’ 4’ 18.0 1.2 0.8 3 121’ 5’ 18.0 0.1 0.9 1.2 10.85’ 10’ 17.6 0.4 1.3 2.4 7.85’ 15’ 17.1 0.5 1.8 2 7.25’ 20’ 16.9 0.2 2 0.6 6

10’ 30’ 16.70 0.2 2.2 0.4 4.410’ 40’ 16.55 0.15 2.35 0.225 3.5310’ 50’ 16.1 0.45 2.8 0.54 3.3610’ 60’ 15.95 0.15 2.95 0.15 2.9520’ 80’ 15.3 0.65 3.6 0.48 2.720’ 100’ 19.05 0.65 4.25 0.39 2.5520’ 120’ 17.20 1.85 6.1 0.925 3.0520’ 140’ 16.65 0.55 6.65 0.235 2.8520’ 160’ 15.75 0.9 7.55 0.36 2.8320’ 180’ 15.20 0.55 8.6 0.18 2.7

30” 30” 15.3 0.6 0.6 72 72

30” 1’ 14.7 0.15 0.75 9 451’ 2’ 14.55 0.15 0.9 4.5 271’ 3’ 14.40 0.2 1.1 4 221’ 4’ 14.20 0.35 1.45 5.25 21.751’ 5’ 13.85 0.15 1.6 1.8 19.25’ 10’ 13.7 1.35 2.95 8.1 17.75’ 15’ 12.35 1.05 4 4.2 165’ 20’ 11.30 0.7 4.7 2.1 14.1

10’ 30’ 10.60 1.3 6 2.6 1210’ 40’ 9.30 1.00 7.00 1.5 10.510’ 50’ 12.60 1.25 8.25 1.5 9.910’ 60’ 11.35 1.10 9.35 2.1 9.3520’ 80’ 10.25 1.95 11.30 1.46 8.4720’ 100’ 8.30 1.95 13.25 1.17 7.9520’ 120’ 12.25 1.5 14.75 0.75 7.3720’ 140’ 10.75 2.75 17.5 1.17 7.520’ 160’ 8.00 1.55 19.05 4.65 7.14