Agua en el suelo
Cátedra
: “Riegos”
Catedrático
: ING. Víctor, Paredes Atoche.
Integrantes
: Manuel, Quispe Palante.
Semestre
: VI
INTRODUCCIÓN
El agua es un recurso natural que constituye un bien fundamental para la vida general, y por lo tanto es un bien invalorable para la humanidad. Una actividad indispensable que el hombre tiene que realizar para conseguir sus alimentos en la agricultura y solo se hace con agua de buena calidad cualquiera que sea origen o fuente. Frente ala necesidad de alimento a una población en constante crecimiento, la agricultura actual requiere ser eficiente técnica, social y económica, por tal requiere de un buen manejo de recursos que es indudablemente agua, para lo cual se requiere a su vez conocer los principios científicos de riegos y el dominio de las practicas correspondientes para pactar, conducir, regular el uso del agua. Para ello conoceremos lo que es agua en al suelo, que abarca todos los conceptos básicos como (almacenamiento de agua en el suelo y mecanismo de retención de agua en el suelo); como también lo que es movimiento del agua en el suelo (almacenamiento de agua en el suelo y la infiltración). Pues al conocer estos conceptos básicos podremos obtener resultados favorables y beneficios sociales.
OBJETIVOS
• •
Al termino del capitulo de agua en el suelo, tener un espacio mas amplio y aplicarlo en el lugar adecuado y correctamente. Aplicar la teoría en la práctica.
EL AGUA EN EL SUELO Mediante el riego se persigue restituir al suelo la cantidad de agua consumida y darle a si al cultivo, apropiadas condiciones de humedad a fin de maximizar la producción. 1. ALMACENAMIENTO DE AGUA EN EL SUELO El almacenamiento de agua en el suelo y su racional distribución en la zona de raíces, es de suma importancia para el manejo de los cultivos. 1.1 Expresiones De Contenido De Agua El contenido de humedad de una muestra de suelo se puede expresar de diferentes maneras: a. Contenido De Humedad En Masa θ masa=masa de aguamasa de suelo seco
El contenido de humedad expresado en masa por ciento esta definida por: θ masa %=θ masa*100
b. Contenido De Humedad En Volumen θ vol=volumen de aguavolumen total del suelo
La expresión porcentual de θ vol esta dada por: θ vol %=θ vol*100
El contenido de humedad expresado en volumen (%) a partir de θ masa (%) se puede determinar mediante la siguiente relación: θ vol %=θ masa*%*Da
Donde: Da = Densidad aparente. Θ masa (%) = Contenido de humedad expresado en masa (%) Θ volumen (%) = Contenido de humedad expresado en volumen (%) c. Contenido de humedad expresado en lamina de agua (La) La=Θ masa %*Da*Prof100
Donde: La = Lamina de agua expresada en las mismas unidades de la profundidad del suelo (cm). Prof. = Profundidad del suelo de donde se requiere evaluar el contenido de humedad (cm).
Θ masa (%) = Contenido de humedad expresado en masa (%). Da = Densidad aparente del suelo (gr/cm3). El contenido de agua en el suelo no es un indicador suficiente para expresar su respectivo estado de disponibilidad para las plantas. Por ejemplo: Si consideramos un suelo arenoso con un contenido de humedad de 12 volumen %, con otro suelo arcilloso de 23 % de humedad; el suelo arcilloso tiene mayor cantidad de agua retenida pero su disponibilidad para las plantas es menor que el suelo arenoso, esto se puede comprobar al tacto; el suelo arcilloso estará mas seco que el arenoso; por ello, el contenido de humedad para ser usada en el riego se debe definir en términos energéticos. 1.1 Disponibilidad de agua en el suelo La cantidad de agua disponible en el suelo a ser utilizada por las plantas, esta comprendida entre el rango de humedad a capacidad de campo (cc, 0.33 bares) y el punto de marchites permanente (PMP, 15 bares). Si se mantuviera la humedad del suelo a un nivel mayor que la cc, existe el peligro de que la falta de aire sea un factor limitante para el normal desarrollo de las plantas. Mientras que a niveles de humedad cercanos al PMP, producirá daños irreversibles para las plantas. Capacidad de campo (CC) La capacidad de campo se define como la máxima capacidad de retención de agua de un suelo sin problemas de drenaje. Que se alcanza según la textura del suelo entre 24 y 72 horas después de un riego pesado. También se puede definir la CC como el contenido de humedad cuando dθ/dt = 0 (variación del contenido de humedad con respecto al tiempo tiende a cero) y para condiciones de evapotranspiración nula. Punto de marchites permanente (PMP) Es el punto en el cual la vegetación manifiesta síntomas de marchitamiento, caída de hojas, escaso desarrollo o fructificación debido a un flujo retardado de agua del suelo hacia la planta y que en promedio corresponda a un estado energético de 15 bares. Para que se produzca un flujo de agua es necesario es necesario de un gradiente de potencial; la correspondiente magnitud del flujo esta determinada tanto por la propia gradiente, así como por la conductividad hidráulica del suelo. Durante el proceso de traspiración, la gradiente se establece a través de cuatro medios distintos: suelo, raíz, hoja y atmosfera.
Humedad aprovechable total (HAT) Es la diferencia que existe entre el contenido de humedad del suelo a CC y el PMP.
La determinación matemática de la humedad aprovechable total del suelo se efectúa por la relación: HAT=Θ CC- ΘPMP100*Prof
Donde: HAT = Humedad aprovechable total del suelo (cm). Θ CC = Contenido de humedad a CC (vol. %). ΘPMP = Contenido de humedad a PMP (vol. %). Prof=Profundidad de la capa enraizada de suelo cm.
Si la profundidad de la capa enraizada esta compuesta pro diferentes capas con características específicas la humedad aprovechable total se calcula mediante la siguiente relación: HAT= i=1nθCCi- θPMPi100*Prof
Donde: θCCi = Contenido de humedad a CC del suelo, de la capa i, (vol. %). θPMPi = Contenido de humedad del suelo a PMP, de la capa i, (vol. %). n= Numero de capas en que se divide el perfil enraizado.
También es necesario resaltar que el agua no es igualmente aprovechable por el cultivo en todo, el rango de la humedad disponible. A medida que disminuya el nivel de humedad del suelo, aumenta progresivamente el esfuerzo del cultivo para extraer agua del suelo, afectando de esta manera la velocidad del uso del agua por los cultivos y consecuentemente la producción de los mismos. Por lo expuesto anteriormente, en el riego de los cultivos no se debe permitir un agotamiento mayor de 40 a 60 % de la humedad aprovechable total, a fin de mantener un apropiado nivel de humedad para los cultivos. En forma práctica se usa el criterio de aplicar un riego cuando se produce un agotamiento o descenso del 50 % de humedad aprovechable total, que expresado matemáticamente es de la forma: L riego=0.5 HAT
Donde: L riego = lamina de riego, en la misma unidades que HAT (cm). HAT = humedad aprovechable total o agua disponible total (cm).
Profundidad de raíces Todo cultivo tiene un determinado patrón de distribución de raíces, el mismo que varia según la edad, las condiciones de humedad a las que han sido sometidas durante su periodo vegetativo, la naturaleza física del suelo y las características intrínsecas del perfil del suelo. Las características físicas y en especial la textura y el nivel de humedad del suelo, tienen una gran influencia en la profundidad de enraizamiento. En
forma general se puede decir que los úselos de textura gruesa permiten una mayor profundidad de las raíces frente a los suelos de textura fina, lo cual esta en intima relación con las capacidades diferentes de retención de agua de dichos suelos. Si la profundidad de enraizamiento (D) de un cultivo cualquiera se divide en cuatro partes iguales, el patrón de agua extraída por el cultivo según la profundidad, empezando de arriba hacia abajo, será de: 40 %, 30 %, 20 % y 10 %, respectivamente.
40 % 30 % 20 %
10 % Patrón típico de la distribución del agua extraída por un cultivo. 1.2 Métodos para determinar el contenido de humedad del suelo La determinación del contenido de humedad puede hacerse mediante los siguientes métodos: directos indirectos. a). método directo o gravimétrico Representa el método estándar para determinar el contenido de humedad en el suelo y sirve de base para el empleo de los métodos indirectos. El método y el equipo usados son simples, y se pueden aplicar en todos los suelos y esta basada por los siguientes pasos: • •
• •
Toma de muestra representativa que va desde 100 a 120 gramos. Llevar al laboratorio la muestra en tarritos o bolsas de polietileno bien serrados y previamente identificados. En el laboratorio pesamos respectivamente a cada muestra extraída. Las muestras húmedas pesadas se llevan a secar a la estufa por 24 horas a una temperatura de 105º para luego volver a pesarlas.
El cálculo de contenido de humedad se da por: θ masa de %=masa de aguamasa de suelo seco*100 La desventaja de este método es el tiempo que se demora en emplearla y el costo.
b). Métodos indirectos
Dentro de estos métodos se tiene principalmente: método de la resistencia eléctrica, método del tensiómetro y de la sonda de neutrones.la utilización de cualquiera de estos métodos, requiere de la obtención previa de su curva de calibración respectiva. Método De La Resistencia Eléctrica Este método se base en el principio de que la resistencia al paso de una corriente eléctrica dependa del contenido de humedad del medio. Este método utiliza dos electrones que se encuentran encerrados o cubiertos en bloques porosos absorbentes (de yeso de parís, fibra de vidrio u otro material) que al ser enterrado en el suelo a la profundidad deseada, tienden siempre a equilibrar su propio contenido de humedad con la del suelo. Cuando se quiere conocer el contenido de humedad del suelo en un momento determinado, se mide la resistencia eléctrica entre los electrones del block; con esta lectura se entra a la lectura de calibración: resistencia eléctrica (Ohms) versus contenido de humedad y se obtiene el contenido de humedad correspondiente. La curva de calibración se puede obtener en el campo o en el laboratorio, relacionando contenidos de humedad obtenidos por el método gravimétrico y lectura de resistencia eléctrica. El block de fibra de vidrio viene acompañado con un dispositivo que permite medir la temperatura del suelo, en base al cual la resistencia puede ser corregida a una temperatura común. Este método tiene la ventaja de ser barato en comparación a los otros métodos indirectos y además requiere poco esfuerzo. Su desventaja es que es poco preciso para trabajos de campo y se ve afectado rápidamente por el grado de salinidad del suelo. Método Del Tensiómetro El tensiómetro es un aparato que consta de una punta o copa porosa a un manómetro o vacuometro a través de un tobo de plástico. Su longitud común varia entre 30 a 130 cm; pudiendo ser de mayores longitudes también. El principio de este método consiste en el intercambio de de niveles de agua entre el tensiómetro y el suelo. Una vez incorporado el tensiómetro en el suelo, el agua retenida en el suelo entra en equilibrio con el agua del tensiómetro a través de su correspondiente copa porosa, conformando de esta manera un sistema cerrado. Las fuerzas que se crean en este circuito son trasmitidas primero a la columna de agua del tubo y luego al dispositivo de medida, manómetro. A medida que el suelo se seca, se produce un flujo de agua contenida en el tubo del tensiómetro hacia el suelo, lo que ocasiona una baja de su nivel y por consiguiente un correspondiente vacio que representa la succión de agua por el suelo; este fenómeno es registrado en el manómetro. En algunos tensiómetros, la lectura es digital.
Con este método se pueden medir contenidos de humedad correspondientes a tensiones menores de 0.8 bares, ya que a mayores tenciones se produce un ingreso de aire al sistema a través de la copa porosa. Método De La Sonda De Electrones Para determinar el contenido de humedad en el suelo por este método, se utiliza una fuente radioactiva de neutrones rápidos (radium-beryllium o americium-beryllium), la que se introduce en el suelo a través de un tubo de aluminio (pre instalado). Estos neutrones se caracterizan por tener una gran energía que les permite introducirse al suelo con gran rapidez, y que el encontrarse con iones hidrogeno, son transformados en neutrones lentos, “amortiguados” al nivel de los neutrones terminales. De esta manera al rededor de la fuente de neutrones rápidos se forman un campo de neutrones lentos, los mismos que so detectados por un contador ubicado en la fuente y que electrónicamente son indicados en una pantalla. El número de neutrones lentos tienden a ser constantes en un tiempo muy corto 0.1 segundos y su correspondiente número depende de la cantidad de agua en el suelo. Se ha costado que existe una relación lineal entre el numero de neutrones amortiguados y el contenido de humedad de la esfera de influencia del campo de trabajo (30 cm de diámetro). Para empezar a trabajar a este método, primero se hace una prueba de calibración de la sonda de neutrones, a fin de obtener su correspondiente “curva de calibración” que efectúa para cada profundidad y campo de trabajo. Con la lectura definitiva obtenida en el contador de la sonda, se va a la curva de calibración antes obtenida y recién se determina el contenido de humedad respectivo del suelo. Nos permite determinar la humedad al instante en el propio terreno, teniendo por desventaja su alto costo de inversión, manejo delicado y cuidadoso del equipo. 1.1 Variación del contenido de humedad La variación y descenso del contenido de humedad de un suelo sin problemas de drenaje se ajusta a un modelo exponencial de la forma: θ=atb Donde: a= Contenido de humedad que tiene el suelo un día después del riego. b= Es el exponente de la función y su magnitud varia ente 0 y -1. θ= Es el contenido de humedad del suelo (vol. %).
La representación de la variación del contenido de humedad se muestra en:
Θ (Vol. %) Θ=at
b
Contenido de humedad
Nº días transcurridos desde el
El cálculo de los parámetros de la ecuación se puede efectuar mediante el método grafico o el método analítico (mínimos cuadrados).
1. MECANISMOS DE RETENCIÓN DE AGUA POR EL SUELO La retención de agua por el suelo esta determinada en gran parte por las fuerzas que enlazan al agua con los elementos sólidos del suelo. Estas fuerzas se manifiestan principalmente en una retención del agua (el suelo succiona agua) que depende del nivel de humedad del suelo. Las relaciones entre el contenido de humedad, su estado energético y los procesos de gradientes energéticas en el sistema agua- suelo son de fundamental importancia para el riego. 2.1 Concepto energético de la retención del agua Si la humedad del suelo esta en equilibrio, por definición, las resultante de las fuerza mencionadas equivalen a cero. Para llegar a este equilibrio las fuerzas producen un desplazamiento de agua y consecuentemente el agua obtiene una energía potencial o simplemente llamada potencial. Los potenciales mas importantes que originan las fuerzas de retención de agua son los siguientes: a. Potencial Matrico o Matricial (ψm) Es el potencial determinado por la presencia de las partículas solidas, es decir la matriz misma del suelo y su efecto se manifiesta como una sucesión, llamándose por lo cual sucesión matriz o sucesión de humedad del suelo. Este potencial del agua del suelo es el resultado de las fuerzas capilares y las de absorciones debidas a la matriz solida del suelo, así como al potencial osmótico de la doble capa difusa.
La capilaridad es el resultado de la tención superficial del agua y su ángulo de contacto con las partículas solidas. En un sistema de suelo no saturado se forman meniscos curvos que obedecen a la ecuación de capilaridad. Si el suelo fuera como un simple conjunto de tubos capilares, la ecuación de capilaridad serian suficientes para describir la relación de este potencial con los radios de los poros del suelo. Sin embargo, además del fenómeno de capilaridad, el suelo exhibe fenómeno de absorción, que son los permiten la formación de envolturas hidratadas sobre las partículas del suelo. Agua retenida por fenómeno de tensión superficial (Capilaridad)
Partícula de suelo
Agua retenida por fenómeno de afinidad electrostática (Adsorción)
El potencial Matrico tiene como componentes:
ψm= ψ a+ ψ c+ ψ d
Donde: Ψa = potencial de la fuerza de adsorción. Ψc = potencial de las fuerzas capilares. Ψd = potencial osmótico de la doble capa difusa. b. Potencial Osmótico (ψO) Es el potencial determinado por la presencia de iones libres en el agua del suelo, provenientes de las sales vinculadas de ninguna manera con la fase del suelo mismo. Se debe fundamentalmente a la hidratación de los cationes que resultan dela disolución de las sales que no saturan las cargas negativas de las partículas solidas del suelo. c. Potencial de Sumersión (ψS) Es el potencial debido a la carga hidrostática, expresada como altura de la columna de agua sobre yacente. Debajo del nivel freático, el potencial Matrico es nulo (cero), pero en su lugar aparece el potencial de sumersión. El potencial total (ψt) del agua en el suelo esta dado por la suma de los potenciales parciales:
ψt= i=1nψi ψt= ψm+ ψ0+ ψS
El potencial del agua en el suelo puede expresarse en valores de pF, atmosferas o en bares. El valor de pF, es el logaritmo de la carga de presión negativa en cm de agua. Un valor de pF = 1, indica una carga de 10 cm de agua y pF = 3, una carga de 1,000cm de agua (10 metros de columna de agua). 2.2 La curva de retención Llamada también curva de absorción, pF o curva característica de humedad del suelo, presenta la relación entre el contenido de humedad del suelo y su correspondiente estado energético o potencial de agua con que esta retenida el suelo. El potencial, indica la energía que debe gastarse para extraer una unidad de agua del suelo a ese nivel de humedad. La curva de retención tiene dos límites bien definidos: Limite húmedo, esta bien definido por el nivel freático y en estas condiciones todos los poros se encuentran llenos de agua y el potencial del agua esta determinado solo por el potencial osmótico, ya que los otros potencial son iguales a cero. L limite seco, esta definido por el punto correspondiente a tierra seca, es decir, por el nivel de humedad correspondiente a un estado energético de 104 bares. Para fines agrícolas, la curva de retención tiene dos puntos de gran importancia: la parte húmeda (rango de succión entre 0-0.3 bares) indicador de la aireación del suelo y la parte correspondiente a succiones entre 15-25 bares, indicador del limite de supervivencia de las plantas: punto de marchitez.
MOVIMIENTO DE AGUA EN EL RIEGO El movimiento del agua durante el riego es de importancia conocerlo ya que así se logra adecuadas eficiencias. Al iniciarse el riego por gravedad se presenta un fenómeno combinado: deslizamiento del agua sobre la superficie del suelo (avance) y al interior del mismo (infiltración). Al cortarse el ingreso del agua al surco o melga, continúa un escurrimiento superficial durante un tiempo corto (merma o recesión). La representación del avance y recesión se muestra en la figura siguiente:
Q
ho
(X, 0)
0 I (t)
I (t)
Perfil de distribución de lámina Infiltrada y lámina de agua sobre el suelo, cuando el agua llegó a la parte final del surco o melga Agua que ingresa = Agua infiltrada + Agua sobre la superficie del surco o melga En cualquier momento del riego, se cumple la siguiente ecuación de equilibrio 6 Qta=B hs+ hax
Donde: Q = Caudal que ingresa al surco o melga (1/seg) Ta = Tiempo de aplicación de Q (min) B = Ancho del espejo de agua superficial en el surco o melga (m) Ha= Lamina promedio de agua sobre la superficie del suelo (cm) Hs = Lamina promedio de agua sobre la superficie del suelo (cm) X= Longitud de surco o melga cubierta por agua (m)
1. EL AVANCE DEL AGUA EN EL RIEGO El avance del agua durant3 el riego por gravedad, es importante conocerlo ya que permite efectuar un diseño apropiado del sistema de riego. Los factores más importantes que determinan la velocidad de avance son: • • • • •
Pendiente longitudinal del fondo del surco o melga. Cantidad de flujo (cantidad de agua) por surco o metro de ancho de melga. Forma del surco o melga. Rugosidad dela superficie del terreno. Características físico-químicas del suelo.
• Otros parámetros de poca significación. Varios autores están de acuerdo con el avance del frente de agua sobre el surco o melga puede ser expresado como una función exponencial de la forma: x =P Txm
Donde: X = Esla longitud de avance (m) al tiempo Tx, 0 ≤ x ≤ L P = Es un coeficiente empírico de la función de avance para Tx =1min. Tx = Es el tiempo de avance (min) M = Es un exponente empírico de la función de avances y varía entre 0 y 1 Los parámetros p y m tienen significado fisco: El parámetro p es una constante empírica que depende principalmente de la pendiente longitudinal del surco melga, del caudal de riego y de la rugosidad de la superficie; mientas que el parámetro m depende de las características de infiltración del suelo, principalmente.
Tiempo de avance (min)
Q1 Q1
Q2 Q3 Q4
Longitud de avance
1.1 Desarrollo de la Prueba de Avance
(X)
La prueba de avance permite obtener la información avance –tiempo, en base a lo cual se determina los parámetros de función mencionada anteriormente. Normalmente, la prueba de avance se desarrolla para varios caudales por separados, y el desarrollo de la prueba de avance esta dada por los siguientes pasos: • • •
•
Selección del lugar donde se efectuarán las pruebas. Colocar las estacas o puntos de referencia cada 10 a 20 m a lo largo de cada surco o melga, según la longitud total de estos. Aplicación del agua al surco melga con sifón u otro medidor pequeño, principalmente parshall o Chamberlain de capacidad de hasta de 6-8 lps para surcos y hasta30 lps para melgas, a fin de medir el caudal de riego durante la prueba. En caso de usarse el medidor, éste debe ser instalado a unos 3 a 5 m a partir de la cabecera, ya que si se usa el sifón se sacara directamente la acequia al surco o melga. La prueba se inicia con derivación del agua de la acequia regada hacia el surco o melga; y se ira registrando el tiempo que demora en llegar el agua a cada uno de los puntos de referencias instalados, así mismo, se tendrá cuidado de mantener constante el caudal seleccionado durante toda la prueba.
1.2 Determinación del Caudal Máximo no Erosivo
Paras la determinación del caudal máximo no erosivo, se siguen los siguientes pasos: Se calcula el caudal máximo no erosivo teórico mediante la ecuación: Q= 38s
Donde: Q = Caudal máximo no erosivo teórico (1pm) S = Pendiente del fondo de surco o melga (%) • •
Se selecciona caudales menores y mayores al determinado en el paso anterior. Efectuar las pruebas de avance con los caudales seleccionados y observar con cual de ellos se presentan erosión objetable o significativa.
1.3 Registro o Calculo de la Función de Avance
El registro de datos de campos referentes a longitud de avance y tiempo de avance, se anotan en las columnas (1) y (2) del formato 1. En base a los datos de campo del formato (1) se procede a llenar el resto de columnas del formato 2 con los caudales se calculan los parámetros de la función de avance del agua en el riego. Perfil del agua superficial (Xj; hj)
h Superficie del
X I (Xi; Ii) Perfil humedecido del suelo
Perfil de distribución del agua sobre la superficie del surco y de la lámina infiltrada durante el avance. FORMATO Nº 1 PRUEBA DE AVANCES
Campo……………………………
Edad………………………………
Textura……………………………
Fecha……..observador…………
Prueba…………………………… Cultivo…………………………… Observaciones……………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………
Longitu d de avance X (m)
TIEMPO DE AVANCE (MIN), T Surco……… …
Sueco……… …
Sueco……… …
Sueco……… …
Sueco……… …
Caudal…lps
Caudal…….l ps
Caudal…….l ps
Caudal…….l ps
Caudal…….l ps
FORMATO Nº 2 PRUEBA DE AVANCE DATOS PARA EL CÁLCULO DE LA FUNCION DE AVANCE Hora
Distancia de avance X, (m)
Tiempo de avance Tx (min)
10.00
Y = log Z = log Z.Y x Tx
Y2
Z2
Inicio de la prueba
10.0130
20
1.5
1.3010
0.1761
0.2291
1.6927
0.0310
10.04
40
4.0
1.6020
0.6020
0.9645
2.5665
.03624
10.0830
60
8.5
1.7781
0.9294
1.6526
3.1618
0.8638
10.13
80
13.0
1.9031
1.1139
2.1199
3.6212
1.2408
10.20
100
20.0
2.0000
1.3010
2.6020
4.0000
1.6927
10.28
120
28.0
2.0792
1.4471
3.0080
4.3290
2.0242
10.38
140
38.0
2.1461
1.5798
3.3904
4.6058
2.4957
10.47
160
47.0
2.2041
1.6721
3.6855
4.8581
2.7956
10.59
180
59.0
2.2552
1.7708
3.9938
5.0862
3.1359
11.08
200
68.0
2.3010
1.8325
2.2166
5.2947
3.3581
11.19
220
79.0
2.3424
1.8976
4.4450
5.4869
3.6009
11.28
240
88.0
2.3802
1.9445
4.6283
5.6654
3.7810
11.41
260
101.0
∑
2.4150
2.0043
26.7074 18.2711
4.8404
5.8321
4.0173
39.7770 56.1948 29.4607
1.4 Determinación de la función de Avance La función de avance puede ser determinada mediante los métodos analíticos y grafico. a. Método Analítico o Matemático a.1 Calculo delos Parámetros dela Función Dada la función: X=P Txm Linearizandola se tiene: Log x = log p +m log Tx Que puede ser escrita de la forma: Y = N + mZ Donde: Y = log X N = log P Z = log Tx
Aplicando la técnica de los mínimos cuadrados se tiene que: m= nyizi- yizinzi2- (zi)2 N= yin- m zin=mY - m Z
Luego: p= antilog (N) Reemplazando los tiene:
valores para el ejemplo propuesto (formato 2)se
m= 1339.777026.7074 29.127449.2730= 0.5911
18.27111329.4694-
N= 26.707413- 0.5910 18.271113=1.2236
Luego: P= antilog N= antilog (1.2236); P=16.73 Teniéndose finalmente la ecuación: X=16.73 Tx0.5911 Calculo del coeficiente de determinación:
(18.2711)2=
r2= YiZi- ZiYin2Zi2- (Zi)2n Yi2- Yi2n r2= 397700- 26.707418.271113 229.4697- 18.2711213 56.194826.7074213=0.9
Representación de una prueba de avance y recesión. Curva de recesión
Tiemp o de avanc e
Tiempo de oportunidad
Curva de avance
Longitud de surco o melga (m)
b. Método Gráfico 10
L o n g i t u d d e a v a n c e
X = 16.4 Ta 0.58
m = 0.58
m x
P = 16.4
1
2
3
4
Determinación dela función de avance – Método Gráfico.
40
50
100
Tiempo de avance (min), Ta
1. INFILTRACION Las características de infiltración de un suelo constituyen el elemento básico para poder efectuar un adecuado diseño del sistema de riego y determinar el riego apropiado. La infiltración puede ser definida como la entrada vertical (gravitacional) del agua en el perfil del suelo .Los factores más importantes que afectan la velocidad de infiltración son: • • • • • • •
•
características físicas del suelo. Carga hidrostática usada en la prueba. Características de humedad del suelo. Grado de uniformidad del perfil del suelo. Método de riego y manejo del agua. Acción microbiana en el suelo del agua. Temperatura del suelo y el agua. Prácticas culturales realizadas, etc.
2.1Definiciones Importantes a. Velocidad de Infiltración Instantánea Llamada simplemente velocidad de infiltración, puede ser definida como la velocidad de entrada vertical del agua en el perfil del suelo, cuando la superficie del terreno se cubre con una lámina delgada de agua. La función que describe la velocidad de infiltración de un punto cualquiera, es un modelo exponencial de la forma: I=aT0b
i
Donde: I = Velocidad de Infiltración (L.T-1), expresada en mm/hora, cm/hora, etc. To = Tiempo de oportunidad (tiempo de contacto del agua con el suelo) expresado en minutos u horas. a = Coeficiente que representa la velocidad de infiltración para To =1.0min. b = Exponente que varia entre 0 y -1 El modelo que representa la ecuación de infiltración, fue propuesto por kostiakov en 1932.
b. Infiltración Acumulada o Lámina Infiltrada Acumulada (Icum)
Integrado la ecuación de infiltración, entre los límites o y t, se obtiene la función de infiltración acumulada: Integrando:
I=aT0b
otIdt= ota Tob.dt Icum= ota Tob .dt
Luego: Icum = ab+1 Tob+1
Que en forma simplificada pude ser expresada por: ICUM= ATob
Donde: A= ab+1
B=b+1
c. Velocidad de Infiltración Básica (Ib) Llamada también Infiltración básica, es el valor instantáneo cuando la velocidad de infiltración es menor o igual que el 10% de su valor. El tiempo al cual se logra la velocidad de infiltración básica, se encuentra igualando la primera derivada de la ecuación (29) con el 0.1 de la misma ecuación: dIdt= -0.1 I
Reemplazando se tiene que: b. aTobdt= -0.1aTob
Simplificando se tiene que: Tb= -10b ii Tb= -600b iii
Luego, reemplazando la ecuación ii ó iii en la ecuación i, se obtiene la tasa de la velocidad de infiltración básica: Ib =a Tbb Ib= a (-10b)b Ib = a (-600b)b, Según las unidades del tiempo, ya se trate de horas o
minutos respectivamente. d.Velocidad de Infiltración promedio (Ip)
Es llamada también Infiltración Promedio y e la relación entre la Infiltración acumulada o lamina infiltrada acumulada (Icum), y tiempo acumulado (To). Ip= IcumTo
Reemplazando se tiene: Ip= ab+1 b+1ToTo
Luego: Ip= ab+1 Tb
La representación en una escala normal de la variación de la lámina infiltrada acumulada y la velocidad de infiltración instantánea se muestra en la figura nº 13. Icum=A toB Lámina infiltrada acumulada (min): Icum Velocidad de infiltración (cm/hora):
I
Lamina infiltrada
I=atob
Lamina de infiltración
Tiempo de oportunidad Variación de la lámina infiltrada y velocidad de infiltración en función del tiempo.
2.2Metodos de Determinación de la Velocidad de Infiltración La determinación de la velocidad de infiltración, puede hacerse a través de varios métodos, siendo los más importantes: Método de Cilindros Infiltrómetros, y A. Método del Cilindro Infiltrómetro En la aplicación de este método se siguen los siguientes pasos: a. Selección y descripción del Lugar Las pruebas deben hacerse e los lugares representativos del terreno del cual se quiere conocer las características de infiltración. Asimismo, se determina la
textura, estructura (densidad aparente) y contenido de humedad del suelo; anotando si el suelo ha sido cultivado, cosechado recientemente, tipo de cultivos, presencia de costras, etc. b. Materiales usados •
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Juego de cilindros Infiltrómetros de acero o fierro galvanizado de 2mm de espesor, de 30 y 40cm de diámetro para los cilindros interior y exterior respectivamente y unos 40cm de alto. Una plancha metálica o tablones de madera. 1, escalímetro o regla graduada. cinta adhesiva o ganchos sujetadores de la regla graduada. Cronometro. 1 comba. Nivel de carpintero. Lámina de plásticos. Hoja de registro. Baldes o latas. Lápices o tizas. Un gancho metálico y medidor del nivel del agua a. Ejecución dela prueba
Una vez elegido el lugar donde se efectuarán las pruebas, se procede a: c.1 Instalación de los Cilindros •
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Introducir el cilindro exterior en el lugar seleccionado mediante el uso de una comba sobre la plancha metálica que se halla colocado sobre el cilindro. El cilindro se debe introducir hasta unos 15cm aproximadamente, luego se introduce el cilindro interior. La introducción de los cilindros debe efectuarse verticalmente a fin de evitar que se alteren sustancialmente las condiciones de la superficie del suelo. Una vez instalados los cilindros, se remueve con cuidado el suelo que se encuentra adyacente a las paredes de estos y se le coloca la regla graduada, fijándola adecuadamente en al parte externa del cilindro interior. Luego, se extiende la lámina de plástico sobre la superficie del suelo del cilindro interior. C.2 Llenado de los Cilindros
Una vez colocado el plástico en el cilindro interior, se procede a su llenado con agua, hasta aproximadamente una lamina de 10-15cm.
El agua debe ser aplicada rimero al cilindro exterior, y luego inmediatamente al cilindro interior, siendo preferible que simultáneamente sean llenados los dos cilindros, lo cual requieren que 2 personas operan juntas. Llenados los cilindros, se procede a retirar el plástico del cilindro interior para iniciar inmediatamente las lecturas de la carga de aguas. El agua entre los cilindros es para tratar de anularla infiltración lateral que pueda presentarse en el cilindro interior. El nivel de agua en el cilindro interior y exterior debe ser aproximadamente el mismo.
ESCALIMETR O LAMINA DE ACERO GALVANIZADA DE 2mm
Disposición del equipo para medir la variación del nivel de agua en los cilindros Infiltrómetros
c.3 Lecturas de Nivel de Agua Retirado el plástico del cilindro, se procede a efectuar las lecturas del nivel de agua en el cilindro interior. Dicho nivel se medirá con el escalímetro o regla graduada previamente instalada y el gancho metálico. Las mediciones, normalmente se continuaran con un intervalo de tiempo determinado siendo al inicio estos intervalos de 1 a 2 minutos aproximadamente y luego se irán distanciando gradualmente cada 5, 10, 15, 20, 30 minutos; hasta finalmente completar al prueba. Cuando en los cilindros se han infiltrado una lamina de alrededor de 2.5 a 3.0cm, se procede a llenar nueva mente, procurando alcanzar el mismo nivel inicial. Esta operación debe ser hecha rápidamente, para lo cual se debe
efectuar una lectura antes e inmediatamente después del llenado a fin de que sea considerado cero. La duración de la prueba no debe ser menor de 2 horas. En suelos francos y arcillosos, la duración dela prueba debe ser de 3 a 5 horas. En forma general, se indica que la duración de la prueba debe ser hasta de infiltración sea sensiblemente constante. a. Calculo y Registro de Datos • •
los datos de campo se anotan en las columnas (1) y (4) del formato 3. En base a los datos de campo tomados se procede al llenado del resto de columnas del formato 3. a. Evaluación de los Datos de Infiltración
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Efectuar un diagrama: Lamina infiltrada acumulada (Icum) versus tiempo acumulada u trazar la curva de mayor ajuste. Determinar la función matemática respectiva y coeficiente de determinación (r2). Efectuar un diagrama de la velocidad de infiltración del promedio y trazar la curva de mayor ajuste. Determinación de su función matemática y su coeficiente de determinación respectivo (r2). a. Determinación de los Parámetros de la Función de la Velocidad de Infiltración y de Lámina Infiltrada Acumulada
La determinación de los parámetros de la función de la velocidad de infiltración pude hacerse mediante el método gráfico o el método analítico, para lo cual se utiliza la información de campo obtenida: velocidad de infiltración (cm/hora) y tiempo.
Lamin a infiltra da, Icum
10 0
5 0
Icum = 0.8 To
1 0
7. 4
0.74
5 4
10.0
3 2 1 1 100
2
3
5
10
50
Tiempo de oportunidad acumulado, To (cm)acumulada – Determinación dela función de la lamina infiltrada Método gráfico
A. Método de Surco Este método consiste en desviar agua de una acequia hacia los surcos y se siguen los siguientes pasos: •
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Derivar agua de la acequia regadora hacia los surcos; en esta prueba es conveniente tomar 3 surcos y efectuar las mediciones preferente mente en el surco central. La derivación de agua a los surcos puede hacerse con sifones, teniendo cuidado de mantener una carga constante (caudal) de entrada al surco. El caudal a usarse debe ser menor o igual al caudal máximo no erosivo. Cuando el riego se hace con sifón, se instala un medidor pequeño (hasta de 6-8 litros de capacidad) parshall o Chamberlain a una distancia de 20 a 30 m a partir de la cabecera. Cuando la derivación del agua dela acequia regadora no se hace con sifones, se usara un medidor adicional ubicado en la cabecera del surco (a 3-5m a partir de la cabecera) y el otro medidor siempre ubicado a 20-30m a partir del primer medidor. Aforo de los caudales tanto a la entrada como a la salida de los surcos, llevándose un registro de tiempo y caudal para cada uno de ellos y desde el momento en que el agua empieza a ser derivada. Las mediciones se inician del momento en que el agua empieza a fluir por éste y terminan en el momento en que deje de fluir agua.
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Las mediciones del caudal deben hacerse inicialmente cada minuto y posteriormente ir distanciando a medida que se estabiliza el caudal hasta llegar a intervalos de 5-10 minutos. La prueba debe durar en promedio de 25 horas, según el tipo de suelo. FORMATO Nº 3 PRUEBA DE INFILTRACIÓN DE SURCOS
Campo………………… Longitud de prueba…… Espaciamiento entre surco………………… Nº de prueba………….. Observación…………
Hora
Tiempo de lectura en las estaciones Entrada
1
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Pendiente del surco…………………… Textura………………… Cultivo………………… ……….… Observaciones………… ……………………………
Salida
2
Tiempo promedio acumulado (min)
3
4
…………………………… …………………………… ……
Caudal (i/seg) Entrada 5
Salida 6
Velocidad de infiltración 7
Calculo de la velocidad de infiltración –columna 7 del formato 5 que se atribuye a un punto representativo de la longitud del surco. El cálculo se efectúa con la relación: r= Q1- Q2b*L*10*3600 ta= te+ ts2
Donde: Q1 = Caudal de entrada (1/seg) Q2 = Caudal de salida (1/seg) b = Separación o espaciamiento entre surcos (dm) L = Longitud de la separación entre los 2 medidores (dm) I = Velocidad de infiltración (cm/hora) ta= Tiempo acumulado promedio (min) te = Tiempo transcurrido desde el inicio de la prueba (desde que el agua comienza a pasar por el primer medidor), (min) ts = Tiempo transcurrido desde que el agua comienza a pasar por el segundo medidor, min.
Materiales Necesarios
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Nivel Wincha Aforadores parshall Chamberlain Cronómetros Estacas Regla graduada
o
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Sifones Lampa Comba Formato de recopilación de datos (formato 5)
PROCESAMIENTO DE DATOS Efectuada la prueba de infiltración en surcos, se procede a efectuar los cálculos y el llenado del formato nº5. Para determinar la función de la velocidad de infiltración, se procede como lo describe en el método de cilindros Infiltrómetros. A continuación se representa el cuadro nº4 que corresponde a una prueba de infiltración en surcos. El procesamiento se hace con los datos de la columna (4) y (7) respectivamente.
BIBLIOGRAFÍA
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Absalón Vásquez v. Lorenzo Chang-Navarro l.