hidrologia infiltracion

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.

ing. abimael antonio beltran cruzado 1


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.



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



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.



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.



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



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.



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.



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



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



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.



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



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



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



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:



Tablas 1.2. Cálculos ejercicio 2

FIGURA N° 1 Curva lamina de infiltración. Ejemplo 2

FIGURA 2. Curva Capacidad de Infiltración, ejemplo 2



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



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.



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.



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)



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:



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:



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



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



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:



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.



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.



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/


http://ingenieriacivil.tutorialesaldia.com/metodos-para-el-calculo-de-las-perdidas-por-infiltracion-en-una-cuenca-metodo-del-indice-fi-de-infiltracion/



http://ing.unne.edu.ar/pub/infi.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Capacidad_de_infiltraci%C3%B3n


ANEXO

FIGURA N°1 Infiltración en el suelo


hidrologia infiltracion

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