AÑO DE LA DIVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA
EDUCACIÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
GRUPO 3
TEMA : INFILTRACIONES
ASIGNATURA : Hidrología
DOCENTE : Ing. Abimael A. Beltrán Cruzado
INTEGRANTES : Barreto Ramírez Jeancarlo
Castro Araujo Brenda Hilary
Hidalgo Nolasco Carlo
Morales Giraldo Gianmarco
Vilca Ames Jhonny Alexis
Yauri Patiño Carolina
CICLO : VI
HUARAZ - 2015
HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
INDICE
INTRODUCCIÓN 2
OBJETIVOS 3
1.-INFILTRACIÓN 4
2.- MECANISMO DE GENERACIÓN DE LA INFILTRACIÓN 5
3.- PERFIL DE HUMEDAD DEL SUELO 6
4.- ESTUDIO DE INFILTRACIÓN 8
5.- CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN Y TASA DE INFILTRACIÓN 8
6.- CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN 9
7.- CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN EN GRANDES CUENCAS 19
8.- MÉTODOS PARA ESTIMAR LA INFILTRACION EN CUENCAS AFORADAS 21
9.- MÉTODO DE LOS NÚMEROS DE ESCURRIMIENTO (CN) 26
10.- MÉTODOS EMPÍRICOS 26
CONCLUSIONES 28
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 29
ANEXOS 30
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
INTRODUCCIÓN
La infiltración del agua posee un rol fundamental en los procesos de escorrentía como
respuesta a una precipitación dada en una cuenca, dependiendo de su magnitud lluvias de
iguales intensidades, pueden producir caudales diferentes. Así también lo es, el estudio de la
recarga de acuíferos. La infiltración depende de muchos factores, por lo que su estimación
confiable es bastante difícil y es imposible obtener una relación única entre todos los
parámetros que la condicionan.
En este sentido, el proceso de infiltración de agua en el suelo ha sido intensamente estudiado
debido a su importancia en el manejo del agua en la agricultura, la conservación del recurso
suelo y otras actividades agropecuarias Por otra parte, la velocidad de infiltración determina la
cantidad de agua de escurrimiento superficial y con ello el peligro de erosión hídrica. En casi
todos los métodos de riego la velocidad de entrada de agua al suelo determina los tiempos de
riego y los diseños de los sistemas en cuanto al tamaño de las unidades superficiales y los
caudales a utilizar.
Además, el proceso de infiltración es de gran importancia práctica dado que su velocidad
determina generalmente la cantidad de agua de escurrimiento, pudiendo detectarse así el
peligro de erosión durante inundaciones a lluvias muy intensas.
En este marco, el presente documento tiene como finalidad conocer los conceptos de
infiltración del agua en suelo, en términos del diseño hidrológico de las obras de conservación
y aprovechamiento de aguas y suelos.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
OBJETIVOS
• Adquirir los conocimientos teóricos básicos sobre infiltración, para resolver los
problemas que en este campo se presenten.
• Conocer sobre el perfil de humedad del suelo en diferentes zonas que se mostraran a
continuación
• Determinar la medición y cálculo de la capacidad de infiltración.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
1. INFILTRACIÓN.
El agua precipitada sobre la superficie de la tierra, queda detenida, se evapora, discurre por
ella o penetra hacia el interior. Se define como infiltración al paso del agua de la superficie
hacia el interior del suelo. Es un proceso que depende fundamentalmente del agua
disponible a infiltrar, la naturaleza del suelo, el estado de la superficie y las cantidades de
agua y aire inicialmente presentes en su interior.
A medida que el agua infiltra desde la superficie, las capas superiores del suelo se van
humedeciendo de arriba hacia abajo, alterando gradualmente su humedad. En cuanto al
aporte de agua, el perfil de humedad tiende a la saturación en toda la profundidad, siendo
la superficie el primer nivel a saturar. Normalmente la infiltración proveniente de
precipitaciones naturales no es capaz de saturar todo el suelo, sólo satura las capas más
cercanas a la superficie, conformando un perfil típico donde el valor de humedad decrece
con la profundidad.
Cuando cesa el aporte de agua en la superficie, deja de haber infiltración, la humedad en el
interior del suelo se redistribuye, generando un perfil de humedad inverso, con valores de
humedad menores en las capas cercanas a la superficie y mayores en las capas más
profundas.
Observe la FIGURA N° 1. Infiltración en el suelo
1.1. Definiciones generales.
Percolación, movimiento del agua dentro del suelo, la infiltración y la percolación
están íntimamente relacionados, la primera no puede continuar sino cuando tiene
lugar la percolación.
Flujo subsuperficial, o interflujo es el desplazamiento del agua por debajo de la
superficie del terreno.
Transmisión, ocurre cuando la acción de la gravedad supera a la de la capilaridad y
obliga al agua a deslizarse verticalmente hasta encontrar una capa impermeable.
Circulación, se presenta cuando el agua se acumula en el subsuelo debido a la
presencia de una capa impermeable y empieza a circular por la acción de la
gravedad, obedeciendo las leyes del escurrimiento subterráneo.
La infiltración juega un papel de primer orden en la relación de lluvia y
escurrimiento y por lo tanto en los problemas de diseño y predicción asociados a la
dimensión y operación de obras hidráulicas.
Observar FIGURA N° 2
2. MECANISMO DE GENERACIÓN DE LA INFILTRACIÓN
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
Cuando se produce un aguacero, el agua que no es interceptada alcanza el suelo. A partir
de ese instante ocurren tres fenómenos diferentes:
El primero de ellos es la acumulación de agua en forma de Detención Superficial, a la
vez que, dependiendo de la permanencia del agua en la superficie del terreno y de las
características hidrodinámicas del mismo, se activa el mecanismo de Infiltración. El
agua que el terreno no es capaz de filtrar ni retener, escurre, formando la Escorrentía
Superficial o Directa.
Observar la FIGURA N° 3, donde se representa la analogía existente entre los procesos
que ocurren en la superficie del suelo y el de un recipiente con agujeros que se llena
completamente rebosando el agua por los laterales. Los agujeros en la parte inferior
representan a las propiedades hidrodinámicas del terreno (permeabilidad, porosidad)
que son las que van a definir la tasa de infiltración en el mismo. El agua que rebosa
simula la Escorrentía Superficial generada y el agua almacenada momentáneamente
en el recipiente representa la Detención Superficial.
La permeabilidad del suelo es activada por medio de canales no capilares, a través de
los cuales drena el agua de gravedad desde la superficie hasta el nivel freático del agua
subterránea, siguiendo el camino de menor resistencia. El agua va rellenando los
espacios capilares por lo que el gradiente de humedad establecido inicialmente va
menguando y por tanto también la cantidad de agua infiltrada por unidad de tiempo.
En caso de que inicialmente el suelo se encuentre con más contenido de agua, la
infiltración por unidad de tiempo producida será menor, ya que el suelo se encuentra
en condiciones de mayor saturación, y por tanto con un gradiente de humedad menor,
que si inicialmente se encuentra completamente seco. En consecuencia, se favorecerá
la formación de escorrentía superficial al disminuir la masa de agua susceptible de
infiltrarse.
La Infiltración está más relacionada con el movimiento del agua en la parte edáfica del
suelo donde tiene lugar el desarrollo radicular de las plantas. La Percolación está más
relacionada con el movimiento vertical del agua en la zona no saturada.
En la FIGURA N° 4 se muestra un esquema del suelo y los diferentes flujos existentes
en él. En dicho gráfico se distingue la Infiltración, la Percolación, el Flujo Hipodérmico,
el Flujo Subterráneo y la Recarga que le llega al medio saturado.
También se ha incluido el Flujo Subsuperficial Epidérmico (Escorrentía Superficial
epidérmica), que es el agua que se encuentra en la parte del suelo edáfico y que, en un
momento dado puede aflorar, incorporándose a la Escorrentía superficial.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
En la FIGURA N° 5, se muestra el frente de saturación, con respecto a la profundidad,
que se genera una vez infiltrada el agua en el suelo, y que avanza saturando al mismo.
3. PERFIL DE HUMEDAD DEL SUELO.
El perfil de humedad en el suelo se puede dividir en 4 zonas:
Zona de saturación, región somera donde el suelo está totalmente saturado,
Zona de transición, se encuentra por debajo de la zona de saturación; el espesor de
ambas zonas (saturación y transición) no cambia con el tiempo.
Zona de transmisión, espesor que se incrementa con la duración de la infiltración y
cuyo contenido de humedad es ligeramente mayor que la capacidad de campo.
Zona de humedecimiento, zona donde se unen la zona de transmisión y el frente
húmedo, ésta región termina abruptamente con una frontera entre el avance del agua
y el contenido de humedad del suelo.
Observar la FIGURA N° 6. Perfil de Humedad en el proceso de infiltración de un suelo
homogéneo seco. La descripción anterior corresponde a un suelo homogéneo (no
estratificado), pues la presencia de capas de distintas conductividades hidráulicas
causa retardos en el avance del frente de humedad, presentando de esta manera
desplazamientos anormales y distorsiones en el perfil estratigráfico.
3.1.Almacenamiento de agua en el suelo.
a.) Redistribución interna
Después que termina la precipitación y no hay agua en la superficie del suelo,
llegamos al final del proceso de infiltración, esto no implica que el movimiento de
agua en el interior del suelo también deje de existir. La capa superior del suelo que
fue casi o totalmente saturada durante la infiltración no retiene toda esa agua,
surgiendo un movimiento descendente en respuesta a los gradientes gravitacional y
de presión. Ese movimiento de agua en el interior del suelo después de terminada
la infiltración es denominado drenaje o redistribución interna. Dependiendo de las
condiciones existentes la velocidad con que la redistribución ocurre puede ser
apreciada en minutos, días o tornarse simplemente despreciable.
b.) Humedad del suelo
La humedad del suelo puede ser expresada en base a la masa o volumen de agua.
La humedad que tiene como referencia la masa (humedad gravimétrica) es definida
como la relación entre la masa de agua y la masa de suelo.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
La humedad volumétrica es definida como la relación entre el volumen de agua y el
volumen total.
Las humedades gravimétrica y volumétrica pueden relacionarse con la ecuación:
Donde:
d = densidad del suelo
ds = densidad del agua.
Siendo:
ds= mt/Vt
da=ma/va
Otra relación importante desde el punto de vista práctico es la que ocurre entre la
humedad volumétrica, la saturación y la porosidad. La saturación es definida por la
relación entre el volumen de agua y el volumen de vacíos, mientras que la
porosidad es definida por la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total.
A partir de estos conceptos, se puede establecer la siguiente relación:
θψ* S (3.6)
donde:
= porosidad = Vv/Vt
S = saturación = Va/Vv
4. ESTUDIO DE INFILTRACIÓN: TASA, INTERCEPCIÓN, LLUVIA EFECTIVA, EFICAZ Y NETA.
Si se establece un balance hídrico para una tormenta queda la siguiente expresión:
P = I + F + S + Q
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
P representa la precipitación total, I es la intercepción por parte de la vegetación que
impide que la lluvia alcance el suelo. Se denomina
intercepción total, a toda el agua de precipitación que es detenida por el follaje vegetal.
Una parte mínima se evapora y regresa a la atmósfera, que se conoce como
intercepción efectiva, la infiltración F es toda el agua que traspasa la superficie del
suelo. Otra parte del agua S, queda en depósitos superficiales, concavidades del terreno.
Q es la escorrentía superficial, que va a ir a parar a los cauces directamente. La relación
entre la capacidad de infiltración y la intensidad de precipitación define los siguientes
conceptos.
Lluvia efectiva, es la precipitación que llega al suelo, descontado la intercepción
efectiva.
Lluvia eficaz, es la precipitación que está en condiciones de generar escurrimiento
superficial, y ocurre cuando la intensidad de precipitación es mayor que la capacidad de
infiltración durante el desarrollo de una tormenta.
Lluvia neta o en exceso, es la parte de la lluvia eficaz que efectivamente produce
escurrimiento en forma directa.
La relación entre intensidad de precipitación (ip) y capacidad de infiltración (f) define en
una tormenta la
tasa de infiltración, que es la velocidad real de infiltración que se produce durante una
tormenta, o también denominada intensidad de infiltración.
Observar la FIGURA N° 7
5. CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN Y TASA DE INFILTRACIÓN
El concepto de capacidad de infiltración es aplicado al estudio de la infiltración para
diferenciar el potencial que el suelo tiene de absorber agua a través de su superficie, en
términos de lámina de tiempo, de la tasa real de infiltración que se produce cuando hay
disponibilidad de agua para penetrar en el suelo.
Una curva de tasas reales de infiltración solamente coincide con la curva de las
capacidades de infiltración de un suelo cuando el aporte superficial de agua, proveniente
de la precipitación y de escurrimientos superficiales de otras áreas, tiene una intensidad
superior o igual a la capacidad de infiltración.
Cuando cesa la infiltración, parte del agua en el interior del suelo se propaga a las capas
más profundas y una parte es transferida a la atmósfera por evaporación directa o por
evapotranspiración. Ese proceso hace que el suelo vaya recuperando su capacidad de
infiltración, tendiendo a un límite superior a medida que las capas superiores del suelo
van perdiendo humedad.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
Si la precipitación presenta una intensidad menor a la capacidad de infiltración, toda el
agua penetra el suelo, provocando una progresiva disminución de su capacidad de
infiltración, ya que el suelo se está humedeciendo. Si la precipitación continúa, puede
ocurrir, dependiendo de su intensidad, un momento en que la capacidad de infiltración
disminuye tanto que su intensidad se iguala a la de la precipitación. A partir de ese
momento, manteniéndose la precipitación, la infiltración real iguala a la capacidad de
infiltración, que pasa a decrecer exponencialmente en el tiempo tendiendo a un valor
mínimo. La parte no infiltrada de la precipitación escurre superficialmente hacia áreas
más bajas, pudiendo infiltrar nuevamente, si hubiera condiciones.
Cuando termina la precipitación y no hay más aporte superficial la tasa de infiltración real
se hace cero rápidamente y la capacidad de infiltración vuelve a crecer, porque el suelo
continúa perdiendo humedad hacia las capas más profundas, además de las pérdidas por
evapotranspiración. Los valores de infiltración dependerán del espacio y del tiempo.
La FIGURA N° 8. Muestra el desarrollo típico de las curvas representativas de la evolución
temporal de la infiltración real y de la capacidad de infiltración ante la ocurrencia de una
precipitación.
A continuación se dan algunos valores promedios de capacidad de infiltración para
distintos tipos de suelos:
6. CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
La capacidad de infiltración es la cantidad máxima de agua que puede absorber un suelo en
determinadas condiciones, es variable en el tiempo en función de la humedad del suelo, el
material que conforma al suelo, y la mayor o menor compactación que tiene el mismo.
La capacidad de infiltración disminuye hasta alcanzar un valor casi constante a medida que
la precipitación se prolonga, y es entonces cuando empieza el escurrimiento, Observar la
FIGURA N° 9.
La lluvia que es superior a la capacidad de infiltración se denomina lluvia neta o lluvia
eficaz.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
Generalmente la capacidad de infiltración se la expresa mediante la ecuación
Donde:
f= Capacidad de infiltración en un tiempo en mm/h
fg= Capacidad de infiltración Inicial en mm/h
fc= Capacidad de Infiltración de equilibrio o “capacidad de infiltración del suelo”
t= tiempo en horas
k= Constante que representa la tasa de decrecimiento de esa capacidad.
La variación de la capacidad de infiltración se clasifica en dos categorías:
a) Variaciones en áreas geográficas debidas a las condiciones físicas del suelo.
b) Variaciones a través del tiempo en una superficie limitada:
1) Variaciones anuales debidas a la acción de los animales, deforestación, etcétera.
2) Variaciones anuales debidas a diferencias de grado de humedad del suelo, estado de
desarrollo de la vegetación, temperatura, etcétera.
3) Variaciones a lo largo de la misma precipitación.
6.1. Factores que afectan la capacidad de infiltración.
La capacidad de infiltración depende de muchos factores, algunos de los factores que
se describen a continuación influyen más en la intensidad de infiltración, al retardar
la entrada del agua.
6.1.1. Condiciones de Superficie
a.) Compacidad, cuando un suelo se compacta disminuye la infiltración. Esta es
una de las razones por las cuales campos cultivados que soportan el paso de
tractores y maquinaria agrícola tienen menos infiltración, lo mismo sucede con
los campos de pastoreo donde las pisadas del ganado van compactando el
suelo.
b.) Tipos de superficies, las Superficies desnudas, tienen baja infiltración por
que el suelo se halla expuesto al choque directo de las gotas de lluvia, lo que
puede dar lugar a una compactación del mismo.
Los agregados de partículas son divididos por el agua, que arrastrará de este
modo elementos más finos, con mayor posibilidad de penetrar hacia el interior
y obturar los poros y grietas, impidiendo o retardando la infiltración.
c.) Cobertura vegetal, la cobertura vegetal natural aumenta la capacidad de
infiltración, una cobertura vegetal densa favorece la infiltración y dificulta el
escurrimiento superficial del agua. Una vez que la lluvia cesa, la humedad del
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
suelo es retirada a través de las raíces, aumentando la capacidad de infiltración
para próximas precipitaciones.
d.) Pendiente de la superficie, la pendiente del terreno influye por que puede
mantener durante más o menos tiempo una lámina de agua de cierto espesor
sobre él, de esto se concluye que a mayor pendiente menor infiltración, y
viceversa.
e.) Áreas urbanizadas, las áreas urbanizadas reducen considerablemente la
posibilidad de infiltración.
Observar la FIGURA N° 10. Áreas urbanizadas reduce la infiltración.
f.) Afloramientos rocosos, en zonas con afloramientos rocosos, sin formación
de suelo o siendo éste muy incipiente, la infiltración puede llegar a ser
prácticamente nula.
6.1.2. Características del suelo
a.) Textura del suelo, la textura del suelo influye en la estabilidad de la
estructura, en tanto sea menor o mayor la proporción de materiales finos que
contenga éste.
Un suelo con gran cantidad de limos y arcillas, está expuesto a la disgregación y
arrastre de estos materiales por el agua, con el consiguiente llenado de poros
más profundos. Observar FIGURA N° 11. Variación de la infiltración por textura
del suelo
b.).Tamaño de los poros, la existencia de poros grandes reduce la tensión
capilar, pero favorece directamente la entrada de agua.
Entre mayor sea la porosidad, el tamaño de las partículas y el estado de
fisuramiento del suelo, mayor será la capacidad de infiltración.
Observar FIGURA N° 12. Capacidad de infiltración en diferentes suelos
c.) Calor especifico, el calor específico del terreno influirá en su posibilidad de
almacenamiento de calor, afectando a la temperatura del fluido que se infiltra, y
por lo tanto, a su viscosidad.
El aire que llena los poros libres del suelo, tiene que ser desalojado por el agua
para ocupar su lugar, lo que reduce la intensidad de la infiltración, hasta que es
desalojado totalmente, en ese momento habrá un incremento de esa
intensidad.
d.).Acción del hombre y de los animales, si el uso de la tierra tiene buen manejo
y se aproxima a las condiciones iníciales (virgen), se favorecerá el proceso de la
infiltración, en caso contrario, cuando la tierra está sometida a un uso intensivo
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
por animales o sujeto al paso constante de vehículos, la superficie se compacta y
se vuelve impermeable.
6.1.3. Condiciones Ambientales
a.). Humedad inicial, la infiltración varía en proporción inversa a la humedad del
suelo, un suelo húmedo presenta menor capacidad de infiltración que un suelo
seco.
A medida que el suelo se humedece, las arcillas y coloides se hinchan por
hidratación, cerrando los vacíos y disminuyendo en consecuencia la capacidad
de infiltración.
b.).Temperatura del suelo, las temperaturas bajas del suelo dificultan la
infiltración.
6.1.4. Características del Fluido que Infiltra
a.).Turbidez del agua, por los materiales finos en suspensión que contiene,
penetran en el suelo y reducen por colmatación la permeabilidad, y por tanto, la
intensidad de infiltración.
b.).Contenido de sales, el contenido de sales, en ocasiones favorece la
formación de flóculos con los coloides del suelo, reduciendo en consecuencia,
por el mismo motivo anterior, la intensidad de infiltración.
c.).Temperatura del agua, la temperatura del agua afecta a su viscosidad, y en
consecuencia, a la facilidad con que aquélla discurrirá por el suelo. Por tal razón
las intensidades de infiltración son menores en invierno que en verano.
6.2. Medición y cálculo de la capacidad de infiltración.
La determinación de la infiltración se puede hacer empleando infiltrómetros, lisímetros
o parcelas de ensayo, de manera análoga a la medida de la evaporación y de la
evapotranspiración desde el suelo. Sin embargo, por las razones expuestas con
respecto al inconveniente de estos métodos, es normal hacer determinaciones in situ.
6.2.1. Infiltrómetros
Estos se usan en pequeñas áreas o cuencas experimentales. Cuando hay gran
variación en los suelos o en la vegetación, el área se divide en pequeñas áreas
uniformes y en cada una de ellas se realizan mediciones. Los infiltrómetros son
de dos tipos: tipo inundación y simuladores de lluvia.
Infiltrómetros de carga constante. Permiten conocer la cantidad de agua
que penetra en el suelo en un área cerrada a partir del agua que debe
agregarse a dicha área para mantener un tirante constante, que
generalmente es de medio centímetro.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
Simuladores de lluvia. Con el objeto de evitar en lo posible las fallas de
los infiltrómetros de carga constante, se usan los infiltrómetros que
simulan la lluvia, aplicando el agua en forma constante al suelo mediante
regaderas.
6.2.1.1. Infiltrómetro tipo inundador.
Son generalmente tubos abiertos en sus extremos, de aproximadamente
30 cm de diámetro y 60 cm de longitud, enterrados en la tierra, unos 50
cm. Se les suministra agua, tratando de mantener el nivel constante y se
mide la cantidad de agua necesaria para esto durante varios intervalos
de tiempo con lo que se puede conocer la capacidad de infiltración. Se
debe continuar con las medidas hasta que se obtenga una capacidad de
infiltración aproximadamente constante. Las desventajas de este tipo
de medición son las siguientes: el impacto de las gotas de lluvia en el
terreno no es tenido en cuenta, de alguna manera, al enterrar el tubo se
alteran las condiciones del suelo y los resultados dependen bastante del
tamaño del tubo.
6.2.1.2.- Infiltrómetro de cilindros concéntricos (método de Muntz)
El aparato que se usa es muy sencillo, es el infiltrómetro. El más común
consiste en un cilindro de 15 cm de largo y fijo, aproximadamente de 20
cm; se pone en él una determinada cantidad de agua y se observa el
tiempo que tarda en infiltrarse. A este aparato se le atribuyen algunos
defectos: el agua se infiltra por el círculo que constituye el fondo, pero
como alrededor de él no se está infiltrando agua, las zonas del suelo a
los lados del aparato participan también en la infiltración, por lo tanto,
da medidas superiores a la realidad.
El error apuntado se corrige colocando otro tubo de mayor diámetro (40
cm) alrededor del primero, constituye una especie de corona protectora.
En éste también se pone agua aproximadamente al mismo nivel, aunque
no se necesita tanta precisión como en el del interior; con ello se evita
que el agua que interesa medir se pueda expandir. Observar la FIGURA
N° 13. Infiltrómetro de cilindros concéntricos
La medición es menor que la que se hubiera obtenido antes y más
concordante con la capacidad real del suelo. La construcción de la curva
de capacidad de infiltración se realiza llevando a las ordenadas los
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
valores calculados de la velocidad de infiltración (mm/hr) y en el eje de
las abscisas los tiempos acumulados, en horas o minutos.
Ejemplo 01.
En una prueba de infiltración realizada con un infiltrómetro de cilindros concéntricos, se
obtuvieron los datos y resultados que se citan en la Tabla 1, se pide determinar:
a) La curva de capacidad de infiltración.
b) La capacidad de infiltración final.
c) La capacidad de infiltración promedio en los primeros 30 minutos de la prueba.
d) La curva de volumen infiltrado durante la prueba.
Solución:
En la Tabla 1, se tienen los cálculos necesarios para determinar la curva de infiltración y en la
Tabla 2 los correspondientes a la curva de volumen infiltrado; ambas curvas se han dibujado
en la Figura 1 en donde además se citan las respuestas a los incisos b y c.
Tabla 1. Calculo de la curva de capacidad de infiltración
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
FIGURA 1 Curvas del Ejemplo 1.
Ejemplo 2.
Calcular y graficar los valores de agua infiltrada e infiltración para los siguientes datos
obtenidos en campaña:
Tablas 1. Datos Ensayo de Infiltración
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
Esta serie de datos corresponden a un ensayo de infiltración con infiltrómetro de Doble Anillo
(Figura 2.1).
El siguiente esquema presenta la disposición de los dos anillos concéntricos enterrados a la
profundidad en la que se desea conocer los valores de infiltración.
Figura 2.1. Infiltrómetro de doble Anillo
Solución
Ambos anillos están llenos de agua, aunque solo se toman mediciones en el anillo interior, ya
que debajo éste se considera que la infiltración es unidimensional con dirección vertical. Las
deformaciones por infiltración horizontal son controladas por el agua infiltrada en el anillo
exterior.
La secuencia de lecturas responde a un llenado inicial hasta cierta altura (enrace), lecturas
posteriores del descenso del nivel de agua, nuevo llenado (enrace) y lecturas de descenso. Este
ciclo se repite hasta que los valores de descenso son pequeños en el tiempo.
Para determinar los valores de lámina infiltrada y de capacidad de infiltración del suelo se
deben calcular las láminas parciales de cada período de la siguiente forma:
La tabla con los cálculos completos es:
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
Tablas 1.2. Cálculos ejercicio 2
FIGURA N° 1 Curva lamina de infiltración. Ejemplo 2
FIGURA 2. Curva Capacidad de Infiltración, ejemplo 2
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
La ecuación de la capacidad de infiltración representada es:
6.2.1.3.- Cilindro excavado en el suelo (Método de Porchet)
Se excava en el suelo un hoyo cilíndrico de radio “R”, lo más regular
posible, y se lo llena de agua hasta una altura “h”. La superficie por la cual
se infiltra el agua es:
Para un tiempo “dt”, suficientemente pequeño como para que pueda
considerarse constante la capacidad de infiltración “f”, en el cual se
produce un descenso “dh” del nivel del agua, se verificará que:
Así, para determinar “f” (infiltración), basta medir pares de valores (h1,t1)
y (h2,t2) , de forma que “t1” y “t2” no difieran demasiado, y aplicar la
última expresión
6.2.2. Análisis de Hidrogramas
Para cuencas pequeñas de menos de 10 km2 se realiza un balance de masas de
agua de tal forma que el incremento de agua medida en la sección de desagüe de
la cuenca después de una lluvia corresponderá a la Escorrentía Superficial. La
diferencia entre el agua precipitada y la Escorrentía Superficial será la suma del
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
agua interceptada, el agua detenida superficialmente, el agua evapotranspirada y
el agua infiltrada. La infiltración será aproximadamente la diferencia entre el
volumen precipitado y el escurrido superficialmente. Este método se suele utilizar
para obtener capacidades de infiltración.
Es un gráfico que muestra la variación en el tiempo de alguna información
hidrológica tal como: nivel de agua, caudal, carga de sedimentos, entre otros. Para
un río, arroyo, rambla o canal, si bien típicamente representa el caudal frente al
tiempo; esto es equivalente a decir que es el gráfico de la descarga (L3/T) de un
flujo en función del tiempo. Éstos pueden ser hidrogramas de tormenta e
hidrogramas anuales, los que a su vez se dividen en perennes y en intermitentes.
Observar la FIGURA N° 14 el racional; Hidrograma unitario; Modelos
matemáticos de cuencas hidrográficas.
6.2.3. Hietograma.
(Del Griego Hietos, Lluvia) es un gráfico que expresa precipitación en f cvunción
del tiempo. En ordenadas puede figurar la precipitación caída (mm), o bien la
intensidad de precipitación (mm/hora). A veces un hietograma se refiere a un día
o a una tormenta concreta (en el eje de las abscisas, las horas que duró la
tormenta); en otras ocasiones el periodo de tiempo representado en el eje
horizontal puede ser más amplio: meses o años.
Para su elaboración, si se trata de un hietograma mensual o anual, bastará con
representar datos diarios. Si se trata de un hietograma de un día o de unas horas
de duración, necesitamos una banda de pluviógrafo, leyendo la precipitación
caída en los intervalos elegidos, por ejemplo, de 10 en 10 minutos. Observar
FIGURA N° 15, Hietograma.
6.2.4. Lisímetros
En un lisímetro el agua infiltrada será la suma de la cantidad de agua recogida en
el colector de percolación y del incremento del agua retenida en el terreno.
7. CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN EN GRANDES CUENCAS.
Las dificultades para calcular la infiltración en grandes cuencas ha conducido al empleo de
diversos “índices de infiltración”, que deben correlacionarse con los factores indicativos
de las condiciones iniciales de humedad, y así calcular el hidrograma de una cuenca en
una tormenta determinada.
Para hallar la capacidad de absorción media en una cuenca, se tiene que admitir
1°, que es uniforme en toda la cuenca.
2°, que la escorrentía sea también uniforme en toda ella.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
3°, que la lluvia sea uniforme en su distribución espacial.
a) Índice de infiltración media Ø:
Se admite que para una tormenta dada y en las condiciones iniciales que el valor de
recarga de la cuenca es constante durante toda la duración de la tormenta. En el gráfico
de la intensidad media de la lluvia en función del tiempo, el índice representa la
intensidad media por encima de la cual todo excedente se transforma en escorrentía.
Es claro que el índice integra, en forma excesivamente simplificada, la acción de la
intercepción de los diversos almacenamientos superficiales y de la infiltración.
Observar FIGURA N° 16
b) Infiltración media aparente (fam).
Para cuencas donde no se acepta que la intensidad de lluvia es uniforme en toda el área,
Horton propone un criterio para calcular la capacidad de infiltración media fam, para
una tormenta.
Este criterio supone la disponibilidad de registro de lluvia suficiente para representar su
distribución satisfactoriamente, y que al menos uno de los registros se obtuvo a partir
de un pluviógrafo. Esto implica estimar que la distribución de lluvia registrada en el
pluviógrafo sea representativa de la distribución en toda la cuenca. Por otra parte,
considera que el escurrimiento superficial es igual a la diferencia entre la precipitación y
la infiltración que ocurre durante el periodo de la lluvia en exceso; o sea que se
desprecia la infiltración antes y después de la lluvia en exceso. Entonces, el valor de fam,
que se encuentra es tal que multiplicado por la duración de la lluvia en exceso y restado
de la lluvia total para el mismo periodo, proporciona el escurrimiento superficial total.
Se suponen distintas alturas de lluvia y, a partir de la curva masa en porcentaje, se
obtiene la variación respecto al tiempo. Se inventan capacidades de infiltración media y
se deduce para cada altura de lluvia supuesta su correspondiente lluvia en exceso.
El procedimiento es el siguiente:
1) Se calcula el hietograma medio de una tormenta para una cuenca, contando con los
datos pluviométricos de varias estaciones y al menos un pluviógrafo, de cuya curva masa
se aplica la variación porcentual horaria a los datos pluviométricos; que permiten
graficar un hietograma medio.
2) Se suponen distintos valores de fam tales como fam1, fam2, fam, etc.; al igual
quemontos totales de precipitación P1, P2, P3, etc., con la distribución planteada de
acuerdo al hietograma medio.
Observar la FIGURA N° 17.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
3) En un gráfico se representan los valores obtenidos con el eje vertical P neta y en
abcisas P total.
4) Se grafican las curvas que unen puntos de P efectiva con P neta correspondiente, para
un mismo valor de fam. Debe trabajarse con varios hietogramas que engloben el rango
de variación de precipitación total media posible en la cuenca analizada.
La utilización del gráfico siguiente permite obtener un fam conociendo la P total y P
neta, calculada ésta como escurrimiento directo en el punto de salida del área
estudiada.
Observar la FIGURA N° 18.
8. MÉTODOS PARA ESTIMAR LA INFILTRACION EN CUENCAS AFORADAS
Cuando se tienen mediciones simultáneas de lluvia y volumen de escurrimiento en una
cuenca, las pérdidas se pueden calcular, de acuerdo a la siguiente ecuación:
VP=Vn-Ved
Donde:
Vp = volumen de perdidas
Vll = volumen de lluvia
Ved = volumen de escurrimiento directo
Si ambos miembros de la ecuación 5.5 se dividen entre el área de la cuenca se obtiene:
F= I-R
Donde:
F = infiltración o lámina de perdidas acumulada.
I = altura de lluvia acumulada.
R = escurrimiento directo acumulado.
Y si a su vez la ecuación 5.6 se deriva con respecto al tiempo se tiene:
F= i-r
Donde:
r, es la lámina de escurrimiento directo por unidad de tiempo.
En cuencas aforadas se usan comúnmente dos tipos de criterios:
Capacidad de infiltración media (índice de infiltración media Ø)
Coeficiente de escurrimiento.
8.1. Criterio de la capacidad de infiltración media (método índice Ø)
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
Este criterio supone que la capacidad de infiltración es constante durante toda la
tormenta. A esta capacidad de infiltración se le llama también índice de infiltración
media Ø.
Cuando se tiene un registro simultáneo de precipitación y escurrimiento de una
tormenta, el índice de infiltración media se calcula de la siguiente manera:
a. Del hidrograma de la avenida se separa el caudal base y se calcula el volumen de
escurrimiento superficial directo (Vesd), que es igual al área de la figura APB, en m3.
Vesd = área APB
b. Se calcula la altura de lluvia en exceso o altura de precipitación efectiva hp, como el
volumen de escurrimiento (Ved) directo dividido entre el área de la cuenca (Ac):
c. Se determina el volumen total precipitado (Vt), que es igual a la altura lluvia total
precipitada (H) durante el tiempo D, por el área de la cuenca (Ac).
d. Entonces el volumen infiltrado es (Vi):
e. Luego la lamina infiltrada (Li) es:
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
f. Se calcula el índice de infiltración media Ø trazando una línea horizontal en el
hietograma de la tormenta, de tal manera que la suma de las alturas de precipitación
que queden arriba de esa línea sea igual a hp.
El índice de infiltración media Ø será entonces igual a la altura de precipitación
correspondiente a la línea horizontal dividida entre el intervalo de tiempo ∆t que dure
cada barra del hietograma. Es decir el indice de infiltración media es Ø =Li/D
Verificar valor de índice Ø de manera que Vesd sea equivalente a la lluvia efectiva.
Ejemplo 3
En una cuenca de 36 km2. (36000000 m2) se midieron el hietograma y el hidrograma
mostrados en las figuras 5.15 y 5.16, respectivamente.
Determinar el índice de infiltración media que se tuvo durante la tormenta.
Solución:
a) Separación del gasto base y cálculo del volumen del escurrimiento directo
De la 0 se observa que, en este caso, la línea de separación entre caudal base y caudal directo
es una recta horizontal. El volumen de escurrimiento directo es entonces:
b) Calculo de la lluvia efectiva.
De la ecuación 5.8, la altura de lluvia efectiva es:
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
c) Cálculo de Ø.
En la Tablas 3, se hacen algunos tanteos para encontrar el valor correcto de Ø. En la Tablas 3
Hpei es la altura de precipitación en exceso correspondiente a la i-esima barra del hietograma.
El índice de infiltración media es de 3.15 mm/h.
Nótese que si el intervalo de tiempo que duran las barras del hietograma de la 0 hubiera sido
de 2 h. Ø sería de 3. 15 mm/2 hrs equivalente a I.575 mm/hr y si ∆t=0.5hr, Ø=3.15 mm/0.5 h
equivalente a 6.30 mm/h.
8.2.Criterio del coeficiente de escurrimiento
Con este criterio se supone que las pérdidas son proporcionales a la intensidad de la
lluvia, esto es:
F= (1-Ce )* i es decir r= Ce* i
Donde:
Ce, coeficiente de escurrimiento o constante de proporcionalidad, sin unidades
r, es la lámina de escurrimiento directo por unidad de tiempo
i, intensidad de lluvia
Otra manera de escribir la ecuación 5.12 es:
Ved= CeVn
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
o bien:
8.3.Criterio del índice de precipitación antecedente (IPA)
Las condiciones de humedad del suelo mediante el índice de precipitación antecedente
IPA está definido como:
Donde P es la precipitación total, K es una constante que toma en cuenta la disminución
de la humedad con el tiempo, cuyo valor puede tomarse como de 0.85 para cálculos
diarios, y el subíndice j, indica el día en cuestión.
Si se tienen registros de P y K para varias tormentas en la cuenca en estudio, y además
se cuenta con las precipitaciones de algunos días anteriores a cada tormenta, es posible
construir una gráfica de Ø contra IPA.
Para formar una gráfica de esta naturaleza conviene seleccionar una o varias
temporadas de lluvias del registro y suponer un valor inicial de IPA, por ejemplo de 10
mm. Es también conveniente escoger solamente las avenidas con un solo pico para
evitar errores en la separación del caudal base y por lo tanto en el cálculo de Ø.
Con la gráfica de IPA contra Ø es factible estimar el valor posible del índice de infiltración
media Ø a corto plazo, conociendo únicamente la precipitación en los días anteriores.
Índice de precipitación antecedente vs. Ø
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9. MÉTODO DE LOS NÚMEROS DE ESCURRIMIENTO (CN)
Todos los criterios antes mencionados requieren que la cuenca esté aforada, es decir, que
se hayan medido los caudales de salida al mismo tiempo que las precipitaciones. Dado que
la mayor parte de las cuencas del país no están aforadas, con mucha frecuencia no se
cuenta con estos datos, por lo que es necesario tener métodos con lo que se pueda estimar
la altura de precipitación efectiva (hp) a partir del total y las características de la cuenca.
El U.S. Soil Conservation Service propone el método de los números de escurrimiento,
(CN), adecuado cuando no se tiene mucha información disponible del suelo y mediciones
de escurrimiento de la cuenca que queremos estudiar, con este método se obtiene la
llamada precipitación efectiva o la lámina que produce escorrentía superficial directa.
Este método goza de mucha popularidad en nuestro medio para determinar las tormentas
de diseño cuando se estudian caudales máximos
10.MÉTODOS EMPÍRICOS
Los intentos empíricos para ajustar o representar los datos experimentales, han dado por
resultado la propuesta de muchas ecuaciones algebraicas de la infiltración, como por
ejemplo: A.N. KOSTIAKOV, R.E. HORTON, W.H. GREEN, G.A. AMPT, D.KIRKHAM-C.L.FENY,
J.R PHILIP Y H.N. HOLTAN. Quizás las más sencillas y conocidas sean las dos primeras y con
respecto a la tercera, presenta un enfoque diferente, por lo tanto, son las que se describen
a continuación.
10.1. Ecuación de A. N. Kostiakov
Kostiakov en 1932 desarrolló una expresión empírica que interpreta el fenómeno de
la infiltración. Graficó infiltración [acumulada] en función del tiempo en papel doble
logarítmico, determinando la ecuación de la recta que se forma:
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
En esta forma la ecuación es una línea recta en papel logarítmico, cuya pendiente de
la línea es igual a (n - 1).
La fórmula de Kostiakov no permite calcular el valor de la infiltración inicial, pues
cuando t→0, lím f = 8 y además, para t→0, lo cual no es cierto. (Campos Aranda).
10.2.- Ecuación de R.E. Horton
Horton en 1940 deduce su fórmula considerando que el cambio en la capacidad de
infiltración df/dt, con signo negativo pues f decrece, puede ser considerado
proporcional a la diferencia entre la infiltración actual f y la capacidad de infiltración
final fc
Introduciendo un factor positivo de proporcionalidad k, la ecuación diferencial que se
obtiene es la siguiente:
La ventaja de la ecuación de Horton estriba en que para t---0, lim f= fo diferente 0 y
su desventaja principal es que necesita tres parámetros: fo, fc y k, de los cuales fc
debe ser conocido o estimado inicialmente.
En la FIGURA 19 se muestran los efectos en la curva de capacidad de infiltración
debidos a la variación del coeficiente k y en la Tablas 1 se tienen unos valores
representativos de fo, fc y k para varios tipos de suelos.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
CONCLUSIONES
• Se adquirieron los conocimientos teóricos sobre infiltración, para poder resolver
algunos ejercicios del tema.
• Se conoció la importancia de la infiltración en el ciclo hidrológico, a las aplicaciones.
• Con la teoría encontrada podemos y con los diferentes métodos presentados podemos
determinar o calcular la capacidad de infiltración.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Aparicio Mijares F. J. 1999. Fundamentos de Hidrología de Superficie. Ed. Limusa.
México. 303 p
Custodio, E. y Llamas, M. R. 1996. Hidrología Subterránea. Ed. Omega. Barcelona. 2350
p.
WIKIPEDIA. Capacidad de Infiltración. Consultado el [17 Noviembre de 2013]
Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Capacidad_de_infiltraci%C3%B3n
Infiltración. Consultado el [17 Noviembre de 2013] Disponible en:
http://ing.unne.edu.ar/pub/infi.pdf
Tutoriales Ing. Civil. Método de índice de infiltración. Consultado el [17 Noviembre de
2013] Disponible en: http://ingenieriacivil.tutorialesaldia.com/metodos-para-el-
calculo-de-las-perdidas-por-infiltracion-en-una-cuenca-metodo-del-indice-fi-de-
infiltracion/
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ANEXO
FIGURA N°1 Infiltración en el suelo
FIGURA N° 2
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FIGURA N° 3 Esquema representativo de los mecanismos de generación de Infiltración.
FIGURA N° 4. Esquema de las diferentes zonas y flujos que aparecen en el terreno.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
FIGURA N° 5 Frente de humedad durante la infiltración
FIGURA N° 6 Perfil de humedad.
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
FIGURA N° 7
FIGURA N° 8. Curvas de capacidad y tasas de infiltración.
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FIGURA N° 9.Curva Capacidad de infiltración, f
FIGURA N° 10. Áreas urbanizadas reduce la infiltración
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FIGURA N° 11 Variación de la infiltración por textura del suelo
FIGURA N° 12 Capacidad de infiltración en diferentes suelos
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
FIGURA N° 13. Infiltrómetro de cilindros concéntricos
FIGURA N° 14 El racional; Hidrograma unitario; Modelos matemáticos de cuencas hidrográficas
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
FIGURA N° 15, Hietograma.
FIGURA N° 16 Índice de infiltración media Ø
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
FIGURA N° 17 Infiltración media aparente (fam).
FIGURA N° 18
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HIDROLOGUÍA: INFILTRACIÓN
FIGURA N° 19
TABLA 1
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