00Guia_Drenaje-2012

INGENIERIA DE DRENAJE Roberto Alfaro

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION ....................................................................................................................................... 4

1.1 HACIA UN CONCEPTO DEL DRENAJE ............................................................................................................. 4 1.2 DRENAJE AGRÍCOLA ..................................................................................................................................... 4

1.2.1 Problemas de Drenaje ................................................................................................................... 4

1.2.2 Fuentes de exceso de agua ............................................................................................................ 4

1.3 ALGUNOS ASPECTOS IMPORTANTES DEL DRENAJE ....................................................................................... 7

1.3.1 Tipos de Problemas de Empantanamiento y Salinidad ................................................................. 7 1.4 IMPACTO AMBIENTAL ................................................................................................................................... 9 1.5 DRENAJE URBANO Y EN OBRAS VIALES, ....................................................................................................... 9

2. CONTENIDO DEL AGUA EN EL SUELO ........................................................................................... 11

2.1 PERFILES DE CONTENIDO DE HUMEDAD EN EL SUELO ................................................................................. 11

2.1.1 Capacidad de campo (Cc) ........................................................................................................... 11

2.1.2 Punto de Marchitez (Pm) ............................................................................................................. 11

2.1.3 Humedad Disponible (HD) .......................................................................................................... 11 2.2 PRESIONES DEL AGUA ................................................................................................................................. 13

2.2.1 Presiones debajo del nivel freático .............................................................................................. 13 2.2.2 Presiones encima del nivel freático ............................................................................................. 13

2.3 CARACTERÍSTICAS DE LA HUMEDAD DEL SUELO .......................................................................................... 14

2.3.1 Ascensión Capilar........................................................................................................................ 15

2.3.2 Porosidad Drenable (µ) ............................................................................................................... 16 2.4 INFILTRACIÓN Y PERCOLACIÓN ................................................................................................................... 19

3. FLUJO DEL AGUA EN EL SUELO ....................................................................................................... 21

3.1 FLUJO DEL AGUA EN SUELO SATURADO ...................................................................................................... 21

3.1.1 Ecuaciones para el flujo permanente .......................................................................................... 22 3.2 APLICACIONES DE LA LEY DE DARCY ......................................................................................................... 23

3.2.1 Flujo Horizontal a traves de Suelo Estratificado ........................................................................ 23 3.2.2 Flujo Vertical a traves de Suelo Estratificado ............................................................................. 24

3.3 ELEMENTOS DE LA TEORÍA DE LAS REDES DE FLUJO ................................................................................... 25

3.3.1 Construcción y Finalidad de la Red de Flujo .............................................................................. 27 3.3.2 Red de Flujo en Suelos Anisotropicos ......................................................................................... 27

3.4 SUPOSICIONES DE DUPUIT-FORCHHEIMER................................................................................................... 28

3.5 FLUJO PROVENIENTE DE UNA FUENTE CIRCULAR (POZOS) .......................................................................... 31 3.6 FLUJO DEL AGUA EN SUELO NO SATURADO ................................................................................................ 33

3.6.1 Relaciones Basicas ...................................................................................................................... 33

3.6.2 Flujo Permanente ........................................................................................................................ 35

4. INVESTIGACIÓN EN DRENAJE .......................................................................................................... 38

4.1 MAPEO DE SUELOS ..................................................................................................................................... 38

4.2 PROBLEMAS DE DRENAJE............................................................................................................................ 38 4.3 MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN EN DRENAJE................................................................................................. 38

4.3.1 Estudios de reconocimiento ......................................................................................................... 39

4.3.2 Estudio de Factibilidad ............................................................................................................... 40

4.3.3 Estudio de Diseño ........................................................................................................................ 41

4.4 INVESTIGACIONES EN DRENAJE SUBTERRÁNEO .......................................................................................... 42

4.4.1 Estudio topográfico ..................................................................................................................... 43

4.4.2 Estudios geológicos ..................................................................................................................... 44

4.4.3 Estudio de Suelos. ........................................................................................................................ 45

4.4.4 Estudio del Regimen Freatico ..................................................................................................... 48 4.5 CALCULO DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA .......................................................................................... 50

4.5.1 Medida del laboratorio ................................................................................................................ 51

4.5.2 Mediciones de campo debajo del Nivel Freático ......................................................................... 53 4.5.3 Mediciones de campo Encima del Nivel Freático ....................................................................... 56

5. SISTEMAS DE DRENAJE SUB-SUPERFICIAL ................................................................................. 61

5.1 INTRODUCCION ........................................................................................................................................... 61


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5.2 CRITERIOS DE DISEÑO ................................................................................................................................. 61 5.3 DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DRENAJE ........................................................................................ 63

5.3.1 Coeficiente de Drenaje en Area Alimentadas por Lluvia ............................................................ 63 5.3.2 Coeficiente de Drenaje en Areas Irrigadas ................................................................................. 64

5.4 FÓRMULAS DE REGIMEN PERMANENTE ....................................................................................................... 65 5.4.1 Ecuacion de Donnan ................................................................................................................... 65

5.4.2 Fórmula de Hooghoudt ............................................................................................................... 67

5.4.3 Fórmula de Ernst ......................................................................................................................... 73

5.4.4 Discusion de las Ecuaciones de Regimen Permanente................................................................ 80 5.5 ECUACIONES DE REGIMEN NO PERMANENTE .............................................................................................. 81

5.5.1 Ecuacion de Glover-Dumm ......................................................................................................... 82 5.5.2 Ecuacion de De Zeeuw-Hellinga ................................................................................................. 85 5.5.3 Discusión de las Ecuaciones de Régimen No Permanente .......................................................... 86 5.5.4 Ejemplos de Aplicación en Flujo No Permanente ....................................................................... 87

5.6 ESTIMACION DEL DIÁMETRO ....................................................................................................................... 91 5.7 ENVOLVENTE Y NECESIDADES DE FILTRO ................................................................................................... 92

5.7.1 Necesidad de Envolvente ............................................................................................................. 92

5.7.2 Seleccionde Material ................................................................................................................... 96

5.7.3 Espesor de Envolvente ................................................................................................................. 97

5.7.4 GUIA Y CRITERIO DE DISEÑO DE ENVOLVENTE ................................................................ 98 5.8 ESTRUCTURAS EN DRENAJE SUBTERRANEO .............................................................................................. 107

5.9 MODELAMIENTO DE SISTEMAS DE DRENAJE ............................................................................................. 109

6. DRENAJE SUPERFICIAL .................................................................................................................... 110

6.1 CRITERIOS DE DISEÑO ............................................................................................................................... 110 6.2 ESTIMACIÓN DE LA DESCARGA NORMATIVA ............................................................................................. 112

6.3 TIPOS DE DRENES SUPERFICIALES ............................................................................................................. 113 6.3.1 Drenes Topo .............................................................................................................................. 118

6.4 SISTEMAS DE DRENAJE PRINCIPAL ............................................................................................................ 119 6.4.1 Principales Caracteristicas ....................................................................................................... 119

6.5 ESTIMACION DE CAUDALES PICO .............................................................................................................. 122 6.5.1 Metodo Racional ....................................................................................................................... 122

6.5.2 Metodo del Numero de la Curva ............................................................................................... 123

7. DRENAJE PARA CONTROL DE SALINIDAD ................................................................................. 124

7.1 SALINIDAD DE SUELOS .............................................................................................................................. 124 7.1.1 Formas de Ocurrencia y Distribucion de Sales en el Suelo ...................................................... 124 7.1.2 La Solucion del Suelo ................................................................................................................ 125

7.1.3 Cationes Adsorbidos .................................................................................................................. 126

7.1.4 Relaciones de Equilibrio ........................................................................................................... 127

7.1.5 Distribucion de Sales en el Suelo .............................................................................................. 128 7.2 IMPACTOS EN LA AGRICULTURA, DIAGNÓSTICO Y EVALUACIÓN ............................................................... 129

7.2.1 Problemas Osmoticos ................................................................................................................ 130

7.2.2 Problemas de Toxicidad ............................................................................................................ 137

7.2.3 Clasificacion de Suelos .............................................................................................................. 137

7.2.4 Apariencia de Campo ................................................................................................................ 140

7.3 SALINIDAD DEBIDO A LA IRRIGACION ........................................................................................................ 140 7.3.1 Salinización por el Agua de Riego ............................................................................................ 141 7.3.2 Salinización de las Aguas Subterráneas (Salinización Capilar) ............................................... 141 7.3.3 Sodificación ............................................................................................................................... 142

7.3.4 Balance de sales de tierras irrigadas ........................................................................................ 143 7.3.5 Calculo de Requerimiento de Lavado........................................................................................ 145

7.4 CALIDAD DEL AGUA DE RIEGO .................................................................................................................. 147 7.4.1 Evaluación de la calidad de agua de riego segun la FAO ........................................................ 147 7.4.2 Clasificacion según normas de Riverside .................................................................................. 154

8. CRITERIOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE DRENAJE ................................................................ 158

8.1 CRITERIOS DE DRENAJE AGRÍCOLA ........................................................................................................... 158 8.2 TIPOS Y APLICACIONES DE SISTEMAS DE DRENAJE AGRÍCOLA .................................................................. 158


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8.2.1 Definiciones ............................................................................................................................... 158

8.2.2 Clasificacion .............................................................................................................................. 159

8.2.3 Aplicaciones .............................................................................................................................. 162

8.3 ANALISIS DE SISTEMAS DE DRENAJE AGRICOLA ....................................................................................... 163

8.3.1 Objetivos y Efectos .................................................................................................................... 163

9. DRENAJE URBANO .............................................................................................................................. 165

9.1 INTRODUCCION ......................................................................................................................................... 165

9.2 PROBLEMA GENERAL DEL DRENAJE........................................................................................................... 165 9.3 HIDROLOGÍA URBANA ............................................................................................................................... 165 9.4 HIDRÁULICA .............................................................................................................................................. 168

9.5 VERTIDO A MEDIO RECEPTOR. ................................................................................................................... 168 9.6 TIPO DE RED A CONSIDERAR ...................................................................................................................... 170 9.7 CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO .............................................................................................. 171

10. DRENAJE EN OBRAS VIALES ........................................................................................................... 174

10.1 INTRODUCCION ......................................................................................................................................... 174

10.2 DRENAJE SUPERFICIAL .............................................................................................................................. 174 10.2.1 Diseño de cunetas: .................................................................................................................... 177

10.2.2 Diseño de alcantarillas: ............................................................................................................ 178

10.2.3 Detalles sobre los Productos y su Fabricación ......................................................................... 180 10.3 DRENAJE SUBTERRÁNEO........................................................................................................................... 185

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................... 191


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1. INTRODUCCION

1.1 Hacia un Concepto del Drenaje Tratando de llegar a una definición de drenaje, se puede mencionar que el drenaje

superficial, es la remoción de agua que se acumula sobre la superficie del terreno a causa de lluvias muy intensas y frecuentes, topografía muy plana e irregular y suelos poco permeables.

También el desbordamiento de los ríos es causa de algunos problemas de drenaje

superficial, pero debido a su carácter típicamente hidrologico-topografico, se considera como un problema de control de inundaciones y su solución no se enfoca a este trabajo. Los problemas de drenaje superficial, al igual que el drenaje interno, han sido muy descuidados y hasta el presente, la mayoría de los agricultores se limitan a evadir sus consecuencias mediante la programación de cultivos de ciclo corto que son plantados en épocas libres del problema, o sencillamente dejan las áreas afectadas como zonas marginales para algunos pastos y para arroz. En la época actual cuando la presión sobre la tierra es mayor y la producción de alimentos es un reto para la agricultura, la necesidad de incorporar nuevas tierras a la producción e intensificar el uso de otras, ha forzado a los productores más progresistas a buscar algunas soluciones para los problemas de drenaje superficial.

1.2 Drenaje Agrícola El drenaje tiene como objeto la eliminación de los excesos de agua de los suelos a fin de proporcionar a los cultivos un medio adecuado para su normal desarrollo. El drenaje según la localización de los excesos de agua, puede ser Superficial o Interno (subterráneo). El drenaje interno es aquel que se destina a evacuar los excesos de agua acumulados en el perfil del suelo. El drenaje superficial consiste en la remoción del exceso de agua sobre la superficie del terreno.

1.2.1 Problemas de Drenaje (a) Arruinar el crecimiento de los cultivos

La mayoria de los cultivos respiran por intercambio de gases en la zona de las raices- el proceso por medio del cual las raices absorven oxigeno (02) de la atmosfera del suelo y liberan dioxido de carbono (CO2) de regreso hacia adentro de él.

(b) Arruinar las labores agrícolas Excesos de agua sobre o en el suelo afectan adversamente la trabajabilidad del suelo.

1.2.2 Fuentes de exceso de agua La precipitación directa constituye por distancia el mayor y mas comun fuente de exceso de agua. Sin embargo, otra importante fuente de exceso de agua en muchos climas frios y moderados son aguas de deshielo en la primavera. Otras fuentes como la irrigación, infiltración, escorrentía e inundaciones son principalmente de local o menor importancia. La ocurrencia de excesos de precipitación pertenece especialmente a climas húmedos. Sin embargo, ello puede ocurrir en climas (semi) aridos siguiendo el tipo comun de intensidad, tormenta masiva o en general durante la estación lluviosa. Las cargas de drenaje de precipitación no dependen unicamente de las cantidades de precipitación (P) sino también de


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la capacidad de almacenamiento del suelo (S) y de las tasas de evapotranspiración (E). Parte de la precipitación puede ser almacenada favorablemente en el perfil del suelo o ser fácilmente evaporada así que únicamente el exceso remanente necesita ser removida de la tierra. Balance de Humedad del Suelo. Aquí presentamos (Smedena, 2004) un analisis de humedad del suelo en base a la precipitación, evapotranspiracion y el potencial de almacenamiento de humedad del suelo, durante un periodo determinado. Tabla 1.1 Balance de Humedad del Suelo

P (Precipitacion)

mm

E (Evapotranspira

cion) mm

P-E mm

S (Almacenami

ento) mm Excesos mm Deficits

mm

Fin de Enero S = Smax = 75

Febrero 54 54 75 54 Marzo 49 24 25 75 25 Abril 69 70 -1 74 Mayo 90 102 -12 62 Junio 101 116 -15 47 Julio 85 136 -51 0 4 Agosto 81 112 -31 0 31 Septiembre 80 65 15 15 Octubre 67 30 37 52 Noviembre 102 10 92 75 69 Diciembre 79 5 74 75 74 Enero 60 60 75 60

FIGURA 1.1 : Calculo simple del balance de humedad del suelo El calculo inicia a fines de enero, cuando el nivel freatico se puede asegurar ser asumido ser el mas alto. La humedad de suelo almacenado es asi el maximo (S=Smax). Entonces hay remanente de almacenamiento de humedad en Smax mientras que P > E. Cuando ya no puede ser almacenado mas agua esto se cuenta como exceso, a ser drenado. Desde abril en adelante P < E y la humedad de suelo almacenado empieza a ser consumida. Valores negativos de P - E


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se cuenta como déficit (escasez de agua para las plantas). Smax de este modo representa el agua que puede ser acomodado en el perfil de suelo completamente agotado y esta disponible para el cultivo en el perfil completamente reabastecido. Para los suelos en los cuales calculos de balance de humedad son relevantes, valores de Smax estan tipicamente en el orden de 50-150 mm (en este ejemplo tomamos 75 mm)

Estos calculos con precipitación y evapotranspiracion promedio mensual muestran los principales periodos de exceso (drenaje requerido) y de déficit (riego requerido). Una ilustración mas refinada y realistica de la ocurrencia de exceso y deficits puede ser obtenido cuando estos calculos son hechos para periodos mas cortos (5-10 dias en lugar de periodos mensuales), y estara hecho para un numero de años. La figura 1.2 muestra los resultados de 11 años de calculos de periodos de 10 dias para la misma estacion de los calculos de la figura 1.1. Vemos que la situación varía de año en año segun la frecuencia de ocurrencia de excesos y deficits. Proyectado contra calendarios de cultivos y operaciones de labranza, periodos criticos pueden ser identificados, condiciones de crecimiento para cultivos y dias trabajables para maquinaria de labranza pueden ser evaluadas y requerimiento de drenaje e

irrigacion definidos Figura 1.2: Balance de Humedad del suelo, Calculo para periodos de 10 dias Estudios de Profundidad-Duracion-Frecuencia de Precipitación Los estudios son usados para derivar criterios de diseño, especialmente para derivar valores de q (coeficiente de drenaje). En la tabla 1.2 se presenta datos de profundidad-duracion-frecuencia. Como se menciono anteriormente, periodos lluviosos de algunos 3-5 dias son normalmente más criticos para drenaje subterraneo, los periodos intermedios de ½ a 2 dias para drenaje


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superficial y tormentas de corta duracion (<6hr) para escurrimiento de tierras en pendiente. Para drenaje agrícola, el diseño esta comúnmente basado en el control de eventos de precipitación de 1x5 años. La precipitación debera por supuesto aplicarse al periodo del calendario critico. Tabla 1.2 Relaciones Profundidad-Duracion-Frecuencia de Precipitación (mm) Frecuencia 1 dia 2 dias 3 dias 5 dias 10 dias 1 x 1 año 27 47 56 76 90 1 x 2 año 42 65 74 97 111 1 x 3 año 52 75 87 109 118 1 x 5 año 64 84 102 127 143 1 x 10 año 82 114 132 160 218

1.3 Algunos Aspectos Importantes del Drenaje

1.3.1 Tipos de Problemas de Empantanamiento y Salinidad En climas húmedos.- Cuando la precipitación es mayor que la evaporación se produce encharcamientos de agua en la superficie de los suelos como consecuencia de la irregularidad topográfica, problemas cerámicos y texturas finas. La solución a este problema es la construcción de drenaje superficial. En climas áridos.- Propio de nuestra costa peruana, donde se presenta la elevación de la napa freática como consecuencia de la baja eficiencia de riego sobre todo en las partes altas, produciendo problemas de excesiva humedad y salinizacion en el perfil irraizable. La solución a este problema es el drenaje interno que puede ser a zanjas abiertas, entubado o drenaje vertical (excavación de pozos para bombear el agua)

Figura 1.3: Componentes del balance de agua en un área irrigada Aun cuando el agua de irrigación sea de muy buena calidad, esta contendrá algunas sales. Asi, trayendo agua de irrigación a un campo también traerán cantidades de sales a ese campo. El agua


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de irrigación es usada por el cultivo o evaporado directamente desde el suelo. Las sales, sin embargo, estan rezagadas (Figura ). Este proceso es llamado salinización. Si estas sales son acumuladas en el suelo, obstaculizaran el crecimiento de los cultivos. Salinización es la acumulación de sales solubles en la superficie del suelo, o en algún punto debajo de la superficie del suelo, a niveles que tienen efectos negativos en el crecimiento de plantas y/o en los suelos. Tabla 1.3: Niveles de tolerancia de algunos cultivos principales

Altamente Tolerante (encima a 10 g/l)

Moderadamente Tolerante (encima a 5 g/l)

Sensitivo (encima a 2.5 g/l)

Palmera Cebada Remolacha Azucarera Esparrago Espinaca

Trigo Tomate Avena Alfalfa Arroz Maiz Lino Papa Zanahoria Cebolla Pepino Granada Higo Oliva Uva

Trebol rojo Arveja Frijol Caña Azucarera Pera Manzana Naranja Prune Ciruela Almendra Albaricoque Melocoton

Figura 1.4: Terrenos de cultivo afectados por niveles freáticos altos, Taraco, Puno.


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1.4 Impacto Ambiental Los riesgos de Inundaciones y riesgos de Contaminación pueden ser disminuidos por un mas bajo contenido de humedad del suelo. Menos lavado, escorrentia superficial y subsuperficial es beneficioso para el ambiente. Sin embargo esto es considerado por la mayoria de la gente que un sistema de drenaje subsuperficial incrementa la escorrentia. Una zona de raiz aerobio seco creado por drenaje subsuperficial actua sin embargo como un almacenamiento buffering mas grande y la vegetación evapora el agua desde la zona de la raiz. Los wetlands (humedales) y su vida salvaje, los cuales estan siendo conservados, son negativamente influenciados por el drenaje de tierras agrícolas colindantes. En suma la comunidad agricola preferira un nivel freatico bajado artificialmente durante el semestre invernal (traficabilidad) y un relativamente alto nivel freatico durante verano semestral (ascenso capilar como una forma de sub-irrigacion para un mejor crecimiento del cultivo). El area de conservacion de la naturaleza preferirá un muy alto nivel freatico (aun hasta la superficie con anegación para las aveas acuaticas) durante el periodo de invierno. El diseño del Drenaje debera en lo posible intentar acomodar ambos objetivos. Un area intermedia (buffer) entre los dos usos de tierra contradictorios es a menudo la unica manera para evitar conflictos mayores entre la comunidad agricola y los conservacionistas de la naturaleza.

1.5 Drenaje Urbano y en Obras Viales, El drenaje urbano esta conformado por el conjunto de colectores y canales necesarios para evacuar la escorrentía superficial producida por la lluvia. Inicialmente el agua es captada a través de los sumideros en las calles y las conexiones domiciliarias, y llevada a una red de tuberías que van ampliando su seccion a medida que aumenta el area de drenaje. Posteriormente estos colectores se hacen demasiado grandes y entregan su caudal a una serie de canales de aguas lluvias, los que haran la entrega final al rio. La buena conservación de las carreteras y vías en general, requieren tomar en cuenta la necesidad de proporcionar un drenaje adecuado. Es absolutamente esencial un drenaje conveniente y económico para proteger la inversión hecha en la estructura de las carreteras y la vida de las personas que las usen. También, el drenaje artificial que resulta del riego, de la limpieza de las calles y de operaciones similares puede acarrear consecuencias en algunos casos. En ciertas ciertas instancias es importante el control del agua subterránea (agua freática), como en el caso de flujos subterráneos encontrados en el corte de carretera o en un lugar donde el nivel freático se encuentra cerca de la superficie.


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Figura 1.5: Problemas de Inundación en la ciudad de Juliaca (2002)

Figura 1.6: Problemática del Drenaje en Carreteras, Socavación e inminente desborde del Río Uviato (La Convención- Cusco)


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2. Contenido del Agua en el Suelo

2.1 Perfiles de Contenido de Humedad en el Suelo El contenido de humedad del suelo varía ampliamente en el tiempo y el espacio.

Fig. 2.1: Contenidos de agua en el suelo

2.1.1 Capacidad de campo (Cc) La cantidad de agua que retiene un suelo después de que el agua por Gravedad ha drenado se conoce como la capacidad de CAMPO (CC; %). El agua Capilar remanente se mantiene en el suelo contra la gravedad. Con un valor de 1 (en arena), 4 (en arcilla) días, el tiempo está disponible para las plantas.

2.1.2 Punto de Marchitez (Pm) Cuando a las plantas les falta agua empiezan a marchitarse y doblarse. El término punto de MARCHITAMIENTO permanente (PMP; %) define el nivel de contenido de humedad en el suelo cuando las plantas no pueden ya extraer el agua remanente y ya no se recuperan al agregarles agua.

2.1.3 Humedad Disponible (HD) La diferencia entre el punto de marchitamiento permanente y la capacidad de campo se conoce como el CONTENIDO de HUMEDAD DISPONIBLE del suelo (HD) HD = CC – PMP


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TABLA 2.8 Propiedades Fisicas Representativas de Suelos

Textura del Suelo

Conductividad Hidraulica

Saturadaa, K (mm/h)

Espacio Poros Total (% por vol.)

Gravedad Especifica

Aparente (As)

Capacidad de Campo, CC (%

por vol.)

Marchitez Permanente, PMP (% por

vol.)

Agua Disponible Total

% por Volumen

(mm/cm)

Arenoso (Sandy) 50 (25-250)

38 (32-42)

1.65 (1.55-1.80)

15 (10-20)

7 (3-10)

8 (6-10)

0.8 (0.7-1.0)

Franco Arenoso (Sandy Loam)

25 (12-75)

43 (40-47)

1.50 (1.40-1.60)

21 (15-27)

9 (6-12)

12 (9-15)

1.2 (0.9-1.5)

Franco (Loam) 12 (8-20)

47 (43-49)

1.4 (1.35-1.50)

31 (25-36)

14 (11-17)

17 (14-20)

1.7 (1.4-1.9)

Franco Arcilloso (Clay Loam)

8 (3-5)

49 (47-51)

1.35 (1.30-1.40)

36 (31-42)

18 (15-20)

18 (16-22)

1.9 (1.7-2.2)

Arcillo Limoso (Silty Clay)

3 (0.25-5)

51 (49-53)

1.30 (1.25-1.35)

40 (35-46)

20 (17-22)

20 (18-23)

2.1 (1.8-2.3)

Arcilloso (Clay) 5 (1-10)

53 (51-55)

1.25 (1.20-1.30)

44 (39-49)

21 (19-24)

23 (20-25)

2.3 (2.0-2.5)

Fuente : Hansen, V.E. et al (1980) Nota : Los rangos normales se muestran entre paréntesis aLa Conductividad hidraulica saturada varía ampliamente con la estructura y estabilidad estructural del suelo, aun mas alla los rangos normales se muestran.


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2.2 Presiones del Agua Para presiones altas es conveniente utilizar el bar o la atmósfera. 1 bar = 105 Pascal y atm = 1.0132 bar (ó aprox. 1 bar = 1 atm = 10 m agua) Para presiones negativas en la humedad del suelo es también conveniente expresar en pF; donde pF = log10P; con P en cm.

2.2.1 Presiones debajo del nivel freático El nivel en el agua freática es siempre en presión atmosférica (p=patm),

Fig. 2.2: medida de presiones en el agua del suelo. Normalmente las presiones hidrostáticas positivas prevalecen (P>Patm con Patm=0 como referencia); puede ser conveniente medida con un piezometro fig. 2.2.

2.2.2 Presiones encima del nivel freático Las fuerzas prevalecientes son:

2.2.2.1 Las fuerzas capilares Son esencialmente, Smedena (1984), fuerzas de tensión superficial, en este caso generado por la adhesión entre el agua y el suelo por los finos poros.

ww

cap RgRP

γσ

ρσ

⋅−=

⋅⋅−= 22

Donde: Pcap=presión capilar ( /m)

σ = tensión superficial (0.073 N/m para agua a 15°C) R = radio de curvatura del menisco (m) ρw=densidad del agua (=103 kg/m3) g = aceleración gravitacional (=9.8 m/s2)

En un poro la curvatura de un menisco alcanza un máximo valor cuando este radio iguala el radio del poro, en cuyo caso Pcap = -4σ/D*ρw*g; cuando D=diámetro del poro (o aproximadamente Pcap=-3000/D) con Pcap en cm y D en micron, u).


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2.2.2.2 Fuerzas de Adsorcion Estas incluyen las fuerzas de Van Der Waals y fuerzas electrostáticas ejercidas sobre el agua por la superficie coloidal cargada de las partículas del suelo. Estas fuerzas ejercen gran influencia con el incremento área superficial coloidal con el suelo. Las fuerzas de capilaridad y adsorción unen la humedad del suelo a las partículas del esqueleto suelo (soil matrix); así retiene porosa por encima del N.F. against the gravitacional pull. Las presiones en la humedad del suelo son negativas (p<patm). Estas presiones negativas, comúnmente referidas como tensión o succión pueden ser medidas con un tensiómetro. Este instrumento mide la así llamada succión mátrica combinada por las fuerzas capilares y de adsorción.

En suelos salinos las fuerzas Osmóticas generadas por sales en agua también necesitan ser tomadas en cuenta. Estas fuerzas también retienen el agua (fuerzas de succión). Estas son de gran significancia en la humedad del suelo que en el agua subterránea desde concentración de sales en suelos no saturados que normalmente son muy altos.

2.3 Características de la humedad del suelo La relación entre el contenido de humedad del suelo (θ) y la succión mátrica (P) es conocida como característica de humedad del suelo, o, en forma gráfica, como la curva de retención de humedad del suelo. Cuando es usada una escala pF en vez de una escala p. Las curvas de retención de humedad pueden ser determinadas en el laboratorio sometiendo una muestra de suelo a un incremento escalonado de succión (ver fig. ) inicialmente la muestra es saturada y es retenida en succión cero (θo = θsat; Po = 0 cm). Posteriormente la succión se incrementa a P1, P2...

Figura 2.3: Curvas de retención de humedad del suelo

Punto de Marchitez

Capacidad de Campo


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Note que la posición del N.F. puede ser detectado solamente por un piezómetro. En la franja (orla) capilar encima del nivel freático el suelo es saturado y bajo una baja tensión. Encima de la franja capilar el contenido de humedad disminuye gradualmente y nuevamente una no bien definida distinción puede observarse. La succión encima del nivel freático puede ser medida por medio de un tensiómetro. Este es un instrumento con una copa porosa en adecuado contacto con el suelo. Una succión tan alta como 800 a 900 cm puede ser medida por un tensiómetro.

Figura 2.4: Esquema de la ascencion capilar en el suelo

2.3.1 Ascensión Capilar Un flujo de estado estacionario a la superficie bajo influencia de un suelo constante

teconsz

hKE tan)(

)()( =⋅−=

δϕδ

ϕ = h+ z Luego, reordenando

)(1)(/

1)( hd

hKEzd

+−=

Dependiendo de las condiciones de frontera

∫∫

+⋅−==

hzz

hdhKE

zzd00

)(1)(/

1)( (2)

La evaporación resulta en un perfil de humedad encima del nivel freatico, el cual es diferente del equilibrio del perfil. Ecuación (2) puede ser fácilmente integrada para un E constante, i.e. un ascenso capilar permanente desde el nivel freatico a la superficie del suelo. Para E = 0 o flujo no-equilibrio la ecuación se reduce a:

)()( hdzd −= La integracion desde z = 0 en el nivel freatico donde h = 0 a z= profundidad del nivel freatico desde la superficie del suelo para un valor dado de E nos dara el potencial matrico y el contenido de humedad a lo largo del perfil del suelo hasta la superficie del suelo. Basado en esta integración la profundidad del nivel freatico requerido para un ascenso capilar permanente es determinado. Una contribución a los requerimientos de agua de los cultivos puede ser evaluada. Cuando el drenaje es diseñado para evitar la salinidad, el nivel freatico


16

debera ser lo suficientemente profundo a fin de que agua no salina pueda alcanzar pueda alcanzar la base de la zona de raíces. Las características de retención de humedad del suelo y conductividad no saturada es determinada por análisis de laboratorio y mediciones de campo. Funciones de Pedotransferencia traducen las simples características del suelo, como textura, densidad volumétrica, y materia orgánica dentro de una conductividad no saturada y retención de humedad del suelo. Como ejemplo un método es formulado en funciones de transferencia por Vereecken et al (1989 y 1990), el cual es flexible y valido sobre un amplio rango. Muchas otras funciones están disponibles para una evaluación alternativa. Contribución de aguas subterráneas a la humedad de (potencial matrico = - 5 bar) la zona enraizable en mm/dia. Segun datos presentados por P.E. RIJTEMA, 1969. Fig 2.5: Ascenso capilar estado permanente encima de un nivel freatico

2.3.2 Porosidad Drenable (µµµµ) El coeficiente de almacenamiento, tambien es llamado macroporosidad, volumen drenable de poros, porosidad no capilar, espacio poroso denable, etc. Es importante para la ecuaciones de drenaje no permanente y los calculos de recarga. La porosidad efectiva, puede obtenerse de: CC−= ηµ

Donde η es la porosidad total y CC la capacidad de campo, la porosidad total (η) puede obtenerse de

−=

r

a

d

d1100η

Donde: da = densidad aparente gr/cm3 dr = densidad real La porosidad efectiva tiene una gran importancia, ya que representa el agua que excede a capacidad de campo y que se debe drenar. En un suelo que se encuentra en estado de capacidad de campo se percola hacia el nivel freático una lamina de agua de altura “R”, el nivel freático se incrementa una altura “∆h” según la relación:

h

water

h

RRh

∆∆=

∆=→=∆ µ

µ

El coeficiente almacenamiento es una constante que representa el cambio promedio en el contenido de agua del perfil del suelo cuando el nivel freatico cambia con un paso discreto. Su valor depende de las propiedades del suelo y la profundidad del nivel freatico. Para derivar un valor medio practico de un coeficiente de almacenamiento para un area, tendria que ser calculada para la serie de suelo principal y para varias profundidades del nivel freatico. Si la retencion de agua del suelo es conocida y si el perfil de carga-presion es conocida para dos


17

diferentes niveles freaticos, el coeficiente de almacenamiento µ puede ser calculado de la siguiente ecuación:

12

0

1

0

2

12

)()(

zz

dzzdzzzz

−

⋅−⋅=

∫∫ θθµ (11.21)

Donde: Z1 = prof. Nivel freático para situación 1 (m) Z2 = prof. Nivel freático para situación 2 (m)

1θ = contenido agua de suelo como una función de la prof. suelo para N.F. 1 (-)

2θ = contenido agua de suelo como una función de la prof. suelo para N.F. 2 (-) Usualmente, el espacio de poro drenable es calculado para condiciones de equilibrio entre el contenido de agua del suelo y profundidad del nivel freatico.

Fig 2.6: Coeficiente de Almacenamiento µ

Ejemplo: una porosidad drenable de 5% significa que el nivel freatico cae/sube 100 pulgadas por cada 5 pulgadas de agua drenada. Ejemplo: Un suelo franco arenoso con un nivel freatico a 6” debajo de la superficie del suelo es drenado a una profundidad nivel freatico de 3.5’. Cuanta agua ha sido drenada desde el perfil del suelo? Solucion: Asumiendo una µ de 8%, el volumen drenado es:

vol = 8 ´ (3.5’ - .5’) / 100 = 0.24’ = 2.88” El concepto de porosidad drenable es mostrada en Figura 2.7. En esta figura, el contenido de agua del suelo de un suelo arcillo limoso es mostrado por la linea A-B para una profundidad


18

de N.F de 0.50 m, y por la linea C-D para un N.F. de 1.20 m. La porosidad drenable en este caso es representada por el area encerrada ABCD (representando el cambio en el contenido de agua del suelo), dividido por el cambio en la profundidad del nivel freatico AD o

AD

ABCD=µ (11.22)

Figura 2.7 A. Perfiles contenido agua - suelo para condiciones de equilibrio con el nivel freatico en 0.50 m,

1θ (z), y en 1.20 m, 2θ (z). El area encerrada por 1θ (z), 2θ (z), la superficie del suelo, y AD representa la porosidad drenable B. Perfiles de equilibrio carga-presion para niveles freaticos en 0.50 y 1.20 C. Retencion agua-suelo para un suelo arcillo limoso Ejemplo 11 .I Asumir que el perfil suelo-agua de Figura 11.12 esta en equilibrio (i.e. H = O). Entonces, segun la Ecuation 1 1.19, h = - z , con z = 0 en el nivel freatico y ascenso positivo. El perfil pressure-head en este caso es simplemente -z. Perfiles pressure-head para las dos profundidades de nivel freatico son ilustradas en Figura 11.12B. El contenido de humedad puede ser ahora determinado graficamente para cada profundidad desde la curva de retencion de humedad en Figura 11.12C. Los calculos son presentados en Tabla 1 1.2. Dividimos el perfil de suelo en intervalos de profundidad discretos de 0.10 m, y calcular la diferencia promedio en 8 entre el primero y Segundo nivel freatico para cada intervalo. Este promedio es multiplicado por el intervalo de profundidad, el cual da el contenido de agua por intervalo, totalizando 28.05 mm. Dividimos el total por 700 mm (i.e. el cambio en profundidad del nivel freatico), y hallando una porosidad drenable µ = 0.04.


19

Tabla 11.2 Cálculos de la porosidad drenable en una arcilla limosa para una caída en la prof. nivel freático desde 0.50m a 1.20m

04.0700

05.28 ==µ

2.4 Infiltración y Percolación La máxima tasa al cual el agua puede infiltrar a un suelo seco disminuye normalmente de un alto valor inicial a un muy bajo valor a medida que el proceso de infiltración continua. El valor de la casi constante tasa de infiltración final refleja la situación geométrica de los poros en el suelo superficial el cual varia con la textura pero es también muy influenciado por el estado actual de la estructura del suelo. Bajo condiciones normales las siguientes ordenes de magnitud pueden aplicarse.


20

Figura 2.8: Humedad del suelo durante la infiltración de agua a un suelo seco y la redistribucion post-infiltracion del agua infiltrada. En la siguiente tabla se pueden ver algunas características de infiltración de suelos típicos. Total Agua Infiltrada

después de 3 horas Tasa de Infiltración después de 3 horas

Suelos de Textura Gruesa 150 – 300 mm 15 – 20 mm/hr Suelos de Textura Mediana 30 – 100 mm 5 – 10 mm/hr Suelos de Textura Fina 30 – 70 mm 1 – 5 mm/hr


21

3. Flujo del Agua en el Suelo

3.1 Flujo del Agua en Suelo Saturado Este flujo se refiere al flujo subterraneo debajo del nivel freatico. Tal flujo fue estudiado por el frances Henry Darcy alrededor de 1856 con una serie de experimentos sobre lechos filtrantes de arena del sistema de abastecimiento de agua de la ciudad de Dijon.

Darcy concluyó que el caudal Q que pasa a través de la arena es directamente proporcional a la sección transversal A y a la diferencia de cabeza total ∆H, e inversamente proporcionalmente a la longitud ∆L. En término matemático, está relación se expresa así:

L

hAkQ

∆∆⋅⋅= (1)

en donde K es una constante de proporcionalidad denominada coeficiente de permeabilidad, y Lh ∆∆ / es la tasa de pérdida de cabeza a través de la arena, y se denomina gradiente

hidráulico i. Esto es: LhI ∆∆= / . La cantidad Q/A es la velocidad de descarga v, y entonces la ecuación de Q puede escribirse de la siguiente, manera:

ikv ⋅= (2) En la mayor parte de los problemas de ingeniería de aguas subterráneas la dirección del flujo varía en el espacio en el que este tiene lugar y la determinación de la trayectoria del flujo constituye una parte del problema. Por lo tanto, es conveniente expresar la velocidad de descarga en un punto cualquiera en términos de sus componentes con referencia a un sistema de coordenadas preseleccionado.

z

hkikv

y

hkikv

x

hkikv

zzzz

yyyy

xxxx

∂∂−=⋅=

∂∂−=⋅=

∂∂−=⋅=

(3)

donde xk , yk y zk es la conductividad hidraulica, x

hi x ∂

∂−= , y

hi y ∂

∂−= , z

hi z ∂

∂−= , son los

componentes del gradiente hidráulico en las tres direcciones de referencia, respectivamente. El


22

signo negativo indica que xv , yv y zv son positivas en la dirección del flujo, es decir, en la

dirección en que disminuye la cabeza total.

3.1.1 Ecuaciones para el flujo permanente El flujo de agua a través de un elementos cúbico saturado de suelo localizado en el sistema de coordenadas x,y,z, como se ilustra en la figura 2, es el siguiente:

Para el flujo en la dirección x: Cantidad de flujo que entra al elemento por unidad de tiempo = zyvx ∆⋅∆⋅

Cantidad de flujo que sale de elemento por unidad de tiempo = zyv xx ∆⋅∆⋅∆+

Al aplicar el teorema de Taylor se tiene:

....!3

1

!2

1 33

32

2

2

+∆∂∂

+∆∂∂

+∆∂∂

+=∆+ xx

vx

x

vx

x

vvv xxx

xxx

Si se toman únicamente los primeros dos elementos del lado derecho, ya que los términos con derivadas superiores se consideran de segundo orden, se obtiene entonces:

xx

vvv x

xxx ∆∂∂

+=∆+

Por tanto, la cantidad de flujo que sale del elemento

Por unidad de tiempo = zyxx

vv x

x ∆∆

∆∂∂

+

Expresiones similares se obtienen para el flujo en las direcciones y y z. Para el flujo estacionario, la ley de conservación de la materia exige que la cantidad total de agua que sale del elemento por unidad de tiempo sea igual a la cantidad de agua que entra en el elemento por unidad de tiempo. Se obtiene entonces

yxzz

vvzxy

y

vvzyx

x

vv z

zy

yx

x ∆∆

∆∂∂++∆∆

∆

∂∂

++∆∆

∆∂∂+

= yxvzxvzyv zyx ∆∆+∆∆+∆∆

a partir de lo cual se deduce que

Vy

Vx +( ∂∂∂∂ Vx/∂∂∂∂x)dx

dx dy

dz

Vz

Vx

Vy+( ∂∂∂∂ Vy/∂∂∂∂y)dy

Vz +( ∂∂∂∂ Vz/∂∂∂∂z)dz


23

0=∂∂+

∂∂

+∂∂

z

v

y

v

x

v zyx (4)

La ecuación (4 se conoce como la ecuación de continuidad en tres dimensiones. Al sustituir la ecuacion (3) en la (4), se obtiene:

0=

∂∂−

∂∂+

∂∂−

∂∂+

∂∂−

∂∂

z

hk

zy

hk

yx

hk

x zyx (5)

En condición de flujo estacionario no se produce cambios de volumen en el elemento de suelo y la permeabilidad puede suponerse constante. Entonces, la ecuación (5) se transforma en:

02

2

2

2

2

2

=∂∂

+∂∂

+∂∂

z

vk

y

vk

x

vk z

xy

xx

x (6)

La ecuación (6) que gobierna el flujo estacionario de aguas subterraneas en tres dimensiones.

3.2 Aplicaciones de la Ley de Darcy

3.2.1 Flujo Horizontal a traves de Suelo Estratificado Considere la Figura 7.11, donde el agua fluye desde un canal de irrigacion a drenes paralelos. En la seccion transversal, agua fluye en una direccion horizontal a traves de tres capas, cada una de las cuales tiene una diferente conductividad hidraulica (K1, K2, y K3) y un diferente espesor (D1, D2, y D3). Si asumimos que no hay flujo a través de los limites entre la capas individuales, entonces el gradiente hidráulico, s = (h1 – h2)/L = ∆h/L, se aplica al flujo a través de cada capa.

Figura 7.11 Flujo Horizontal a traves de un suelo estratificado La tasa de flujo por unidad de canal (q1, q2, y q3) puede ser expresado por

sDKq

sDKq

sDKq

⋅⋅=⋅⋅=

⋅⋅=

333

222

111

Y el flujo total a traves de la seccion transversal por

sDKDKDKqqqq ⋅⋅+⋅⋅+⋅=++= )( 332221321 (7.32)


24

ó

∑=

⋅⋅=n

mmm sDKq

1

)(

El producto, KD, es la transmisividad de una capa de suelo en el cual el flujo es horizontal. Así capas con un valor alto de KD pueden contribuir más al flujo horizontal.

3.2.2 Flujo Vertical a traves de Suelo Estratificado La figura 7.12 es una sección transversal de un campo irrigado (cuenca con agua estancada), donde el agua esta fluyendo verticalmente hacia abajo a través de un perfil de suelo compuesto de capas de diferentes espesores y diferentes conductividades hidráulicas. Si asumimos que el suelo esta saturado y el agua no puede escapar lateralamente, la descarga por unidad de area, i.e. la velocidad aparente, es la misma para cada capa. Por lo tanto

1

211 D

hhKv

−= ó 211

1 hhK

Dv −=

2

322 D

hhKv

−= ó 322

2 hhK

Dv −=

3

433 D

hhKv

−= ó 433

3 hhK

Dv −=

Desde que hhhhhhhhh ∆=−=−+−+− 41433221 )()()( , adicionando las ecuaciones resulta

3

3

2

2

1

1

K

D

K

D

K

Dh

vA

Q

++

∆==

Figura 7.12 Flujo vertical hacia abajo a traves de suelo estratificado Ejemplo. Considere la figura 7.13. Ello muestra una capa de arcilla mas superior en el cual el nivel freático es asumido a mantenerse estable porque los factores tales como drenaje o evaporación. El espesor saturado de la capa de arcilla es D1 = 9 m; su conductividad hidráulica para flujo vertical es K1 = 0.8 m/d. Debajo de esta capa esta una segunda capa de arcilla su espesor es 1m, y su conductividad hidráulica para flujo vertical es K2 = 0.05 m/d. la


25

segunda capa de arcilla descansa sobre una capa de arena que contiene agua subterránea cuya carga hidráulica yace sobre el nivel freático en la capa de arcilla mas superior (∆h=0.05m). La diferencias de carga causa un flujo hacia arriba vertical desde la capa de arena a través de las capas de arcilla sobreyacientes. Según la ecuación 7.33, la tasa de este flujo ascendente por unidad de area es

dmA

Q/0016.0

25.31

05.0

05.01

8.09

05.0 ==+

=

Esto muestra que la segunda capa, con una alta relación K/D, influencia el agua subterránea mas que el grosor de la primera capa.

Figura 7.13: flujo ascendente vertical a traves de dos estratos de arcilla con diferentes conductividades hidraulicas y diferentes espesores

3.3 Elementos de la Teoría de las Redes de Flujo Para flujo en el plano x, z únicamente, la ecuación de continuidad (4) se reduce a:

0=∂∂

+∂∂

z

v

x

v zx

Las componentes de la velocidad de descarga xv y zv pueden depender de dos funciones: una

función potencial φφφφ y una función de corriente ψψψψ. Función Potencial φφφφ.- Para flujo bidimensional en un suelo isotropico, la forma generalizada de la ley de Darcy, ec (3), se reduce a:

z

hkv

x

hkv zx ∂

∂−=∂∂−= ,........, (7)

En donde el coeficiente de permeabilidad es constante en todas las direcciones. La ec (7) también puede escribirse así:

z

vx

v zx ∂∂−=

∂∂−= φφ

,......., (8)

en donde φφφφ = kh y se denomina potencial o potencial de las aguas subterraneas. Nótese que el potencial φφφφ es directamente proporcional a la cabeza total h. Al sustituir la ecuacion (8) en la ecuacion (6) se obtiene


26

02

2

2

2

=∂∂+

∂∂

zx

φφ (9)

la cual es una ecuación de Laplace en dos dimensiones en términos de potencial φ , La solución de esta ecuación permite dibujar las lineas de contorno de φ constante en el plano x, z. Estas lineas se denominan lineas equipotenciales, y es de particular interés dibujar las lineas equipotenciales a intervalos iguales de potencial ∆φ . Funcion de Corriente ψψψψ.- Puesto que las componentes de la velocidad de descarga vx y vz deben satisfacer la ecuación de continuidad (6), vx y vz también pueden obtenerse al derivar una segunda función ψψψψ definida por

xv

zv zx ∂

∂−=∂∂−= ψψ

,......., (10)

La sustitución simple confirma que estas definiciones satisfacen (8) Al derivar la ecuación (7) se obtiene

0=∂∂

−∂∂

z

v

x

v xz (11)

y al sustituir la ecuación (10) en la (11) se obtiene:

02

2

2

2

=∂∂+

∂∂

zx

ψψ (12)

Por tanto, la función ψ también satisface la ecuación de Laplace en dos dimensiones. La solución de esta ecuación permite dibujar en el plano z,x las líneas de ψ constante que tienen un interés particular cuando se dibujan a intervalos constantes ∆ψ.

Figura 7.17: Red de líneas equipotenciales y de líneas de Corriente, bajo una compuerta laminar en un suelo homogeneo


27

3.3.1 Construcción y Finalidad de la Red de Flujo

Por la teoría se conoce (Berry 1993), que si el intervalo de potencial ∆φ se toma igual que

el intervalo de la función de corriente ∆ψ , la intersección entre las líneas equipotenciales y las líneas de corriente forman un sistema de “CUADRADO” curvilíneos denominado red de flujo. Así las líneas equipotenciales dividen la zona en donde se produce el flujo en una serie de caídas de potencial, y las líneas de corriente, en una serie de canales de flujo o canales de corriente. Utilizando el criterio del párrafo anterior, se construye las redes de flujo, en el interior de la zona de flujo de tal manera que siempre se corten formando ángulos rectos y la malla resultante forme un sistema de “cuadrados” curvilineos. Entonces se procede manualmente utilizando la caracteristica descrita. Usos: Las lineas de corriente tienen una relación particularmente importante con la cantidad de flujo de filtración. Entonces, la cantidad de filtración a través de cualquier canal de flujo es igual a la diferencia entre los valores de la función de corriente a través del canal de flujo. Asi si el numero de canales de flujo en una red de flujo es igual a Nf, la tasa total de flujo a través de todos los canales por unidad de longitud se da por

d

f

N

NHkq

⋅= (13)

Donde: H = Diferencia de carga entre los lados aguas arriba y aguas abajo Nd = número de caídas de potencial En la actualidad se prefiere el analisis mediante programas de computo, que bàsicamente resuelve la ecuaciòn de Laplace, mediante discretizacion de elementos finitos.

3.3.2 Red de Flujo en Suelos Anisotropicos Las anteriores ecuaciones para el cálculo de la filtraciòn fueron derivadas para suelos isotropicos. Sin embargo en la naturaleza, (Das 1999) la mayorìa de los suelos exhibe algun grado de anisotropìa. En orden a tomar en cuenta esta anisotropìa con respecto a la permeabilidad, algunas modificaciones son necesarias en la construcciòn de la red de flujo. La ecuaciòn diferencial de continuidad para flujo bidimensional es:

02

2

2

2

=∂∂

+∂∂

z

vk

x

vk z

zx

x (14)

Para suelos anisotropicos kx ≠ ky. En este caso, la ecuaciòn representa dos familias de curvas que no se encuentran en 90°. Sin embargo, podemos reescribir la ecuación precedente como:

0)/( 2

2

2

2

=∂∂+

∂∂

z

h

xkk

h

xz

(15)

Sustituyendo xkkx xz ⋅= /' , entonces podemos expresar la ecuación anterior como:

0' 2

2

2

2

=∂∂+

∂∂

z

h

x

h (16)


28

Donde x’ es la nueva coordenada transformada. Para construir la red de flujo, use el siguiente procedimiento:

1. Adoptar una escala vertical (que es el eje z)

2. Adoptar una escala horizontal (que es el eje x) tal que escala horizontal =

)_(/ scaleverticalkk xz ⋅=

3. Con escalas adoptadas en el paso 1 y 2, plotear la sección vertical a través de la capa

permeable paralela a la dirección de flujo

4. Dibujar la red de flujo para la capa permeable sobre la sección obtenida del paso 3,

con lineas de flujo intersectando lineas equipotenciales en angulos rectos y los

elementos como cuadrados aproximados.

La tasa de infiltración por unidad de longitud puede ser calculada por la ecuación:

d

fzx N

NHkkq

⋅⋅= (17)

Note que cuando red de flujo son dibujadas en secciones transformadas (suelos anisotropicos) las lineas de flujo y las lineas equipotenciales son ortogonales. Sin embargo cuando estas son dibujadas en la sección verdadera, las lineas de flujo y las lineas equipotenciales no intersectan en angulos rectos a cada uno.

3.4 Suposiciones de Dupuit-Forchheimer Los patrones de flujo de Aguas Subterraneas definidos por el nivel freatico (conocidos como patrones de flujo no confinado) son dificiles para calcular. Obtener una solucion exacta matematicamente con la ecuacion de Laplace es compleja porque la superficie de agua libre no lineal tanto la condicion de borde de, y la solucion a, el problema de drenaje.

Figura 7.24 Flujo permanente en una acuifero no confinado como una ilustracion de las suposiciones de Dupuit. Un metodo primero desarrollado por Dupuit en 1863, y mejorado por Forchheimer (1930), da buenas soluciones a problemas de flujo paralelo a canales y a pozos bombeados. En suma asumiendo que:


29

� El patron de flujo es permanente; � La ecuacionde Darcy es aplicable.

Dupuit tambien asume que: � En una seccion vertical, MN, del acuifero, todos los vectores de velocidad son

horizontal y � El gradiente hidraulico entre dos secciones infinitamente adyacentes, MN y M’N’, es

igual a v = -K(dy/dx) (ver Figure 7.24); exactamente igual

θsenMM

dyS ==

'

Figura 7.25 El nivel freatico cercano a la superficie de infiltracion no puede ser explicada por las suposiciones de Dupuit. El cual puede escribirse como

θtgdx

dyS == (7.62)

En parte, las suposiciones de Dupuit son contradictorias, y the last assumption is valid only if 8 remains small. Calculos que incorporan estas supocisiones por lo tanto indicaran un mas bajo nivel de agua en la vecindad de pozos bombeados y cuando una superficie de filtracion (ilustrada como BC en Figura 7.25) puede esperarse. Podemos facilmente ver que una superficie de filtracion ocurrira si la superficie AB se aproxima a A‘B‘. No obstante, con las suposiciones de Dupuit, podemos resolver una variedad de problemas de aguas subterraneas con precision satisfactoria. Forchheimer usó las suposiciones para desarrollar una ecuacion general para la superficie de agua libre. Aplicando la ecuacion de continuidad a una columna vertical de agua, el cual, en una region de flujo, esta limitada arriba por la superficie freatica y abajo por una capa impermeable, y cuya altura es h (ver Figura 7.26). Si asumimos que la superficie de la capa impermeable es horizontal, i.e. que coincide con el plano delineado por las coordenada horizontal x e y, las componentes horizontales de la velocidad de flujo son

y

hKvy

x

hKv yx ∂

∂−=∂∂= (7.63)

Si qx es la tasa de flujo en la direccion-x, entonces el ingreso de agua a traves de la cara izquierda de la columna es el producto del area, h x dy, y la velocidad, vx. Asi


30

dyy

hhKqx

∂∂−= (7.64)

Como el agua se mueve desde la cara izquierda a la cara derecha de la columna, veremos que los cambiso de tasa de flujo xqx ∂∂ / . Cuando el agua sale en la cara derecha de la columna, qx

ha cambiado a

dxx

qqaeiq x

xdxx ∂∂

++ ..)(

Figura 7.26 Flujo Horizontal aproximado en una columna de espacio fluido como una suposicion para derivar la ecuacion de continuidad linealizada de Forchheimer. La diferencia entre la salida y entrada por unidad de tiempo en la direccion x es

dxdyx

hh

xKdx

x

qqq x

xdxx

∂∂

∂∂−=

∂∂=−+ )( (7.65)

Similarmente, el cambio en el flujo en la dirección y es

dxdyy

hh

yKdy

y

qy

∂∂

∂∂−=

∂∂

(7.66)

Si asumimos flujo permanente, la ecuación de continuidad requiere que la suma de los cambios adds up to zero. Por lo tanto obstante la suma de los términos del lado derecho de las ecuaciones 7.65 y 7.66 son iguales

0=

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂− dxdy

y

hh

yx

hh

xK (7.67)

Ecuacion 7.67 puede tambien ser escrita como

0=

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂

y

hh

yx

hh

x (7.68)

ó


31

02

2

2

2

=∂∂+

∂∂

y

h

x

h (7.69)

Las ecuaciones 7.67 a 7.69 son formas alternativas de la ecuacion de Forchheimer para flujo permanente.

3.5 Flujo proveniente de una Fuente Circular (Pozos ) Cuando la distancia al pozo aumenta, el abatimiento del nivel piezometrico disminuye, hasta una distancia radial re a la cual el pozo no tiene influencia significativa en el nivel piezometrico de la arena. Esta distancia re es el radio de influencia del pozo. Por tanto, puede considerarse que el flujo proviene de una fuente circular localizada en el radio de influencia del pozo. La ecuación de Laplace será:

02

2

2

2

=∂∂+

∂∂

z

h

x

h (3.32)

Pero para el flujo radial es mas conveniente trabajar en coordenadas polares r y θ que en la figura se relacionan con x y y mediante.

)(..,,......... 122

x

ytgyxr −=+= θ (3.33)

Al transformar la ecuación (3.32) a coordenadas polares se obtiene

011

2

2

222

2

=∂∂+

∂∂+

∂∂

θh

rr

h

rr

h (3.34)

Para un flujo simétrico alrededor del eje z, h es la misma en todos los puntos situados a igual distancia del pozo. Entonces, para cualquier valor de r, θ∂∂ /h =0, y la ecuación (3.34) se reduce a una ecuación diferencial ordinaria.

01

01

22

2

=

==>=∂∂+

dr

dhr

dr

d

rr

h

rdr

hd (3.35)

Se observa que ahora h es función sólo de la variable r y el problema se reduce matemáticamente a un caso unidimensional. Al resolver la ecuación (3.35) pueden obtenerse soluciones para los valores de la cabeza total en el dominio del flujo y para el caudal hacia el pozo.


32

Figure 7.29 Flujo Horizontal radial hacia un pozo bombeado que penetra completamente un acuifero no confinado. No hay recarga de precipitación. Pozo Simple.- Si en la figura se toma la base de la arena como nivel de referencia, la cabeza total h en cualquier radio r esta dada por la altura del nivel piezometrico desde la base. Si se designa el radio del pozo como rw, la cabeza total en la arena adyacente al pozo como hw y la cabeza total en el radio de influencia como he, las condiciones de frontera son: h = hw en r = rw y h = he en r = re Si se integra una vez la ecuación (3.35) se obtiene

cdr

dhr = (3.36)

y si se integra por segunda vez se obtiene 21 ln crch += (3.37) Donde c1 y c2 son constante de integración. Al sustituir las condiciones de frontera en la ecuación (3.37) y resolver el sistema de ecuaciones simultaneas se obtiene

we

we

rr

hhc

/ln1

−= e

we

wee r

rr

hhhc ln

/ln1

−−= (3.38)

Si se sustituyen las constantes en la ecuación (3.37) se obtiene

ewe

wee r

rr

hhhh ln

/ln

−−=

El principio de continuidad requiere que el caudal estacionario Q en el pozo sea igual al flujo a través de una sección cilindrica de radio r en la arena. Por tanto

dr

dhDrrD

dr

dhkkiAQ ππ 22 ===

La ecuación (3.36) establece que rdh/dr = c1 y la ecuación (3.38) define una expresión para c1, al remplazar se obtiene:

we

we

rr

hhkDQ

/ln)(2 −= π (3.40)

Al reordenar la ecuación (3.40) y sustituirla en la ecuación (3.39) se obtiene la siguiente expresión para la cabeza total h en función de Q para cualquier radio r.


33

r

r

kD

Qhh e

e ln2π

−= (3.41)

3.6 Flujo del Agua en Suelo No Saturado

3.6.1 Relaciones Basicas Cinetica del flujo: Ley de Darcy Para flujo unidimensional de agua tanto en suelo saturado y no saturado, la ley de Darcy es aplicable, el cual puede escribirse como: HKq ∇⋅−= (11.23) Donde: q = descarga por unidad de area o densidad de flujo (m/d) K = conductividad hidraulica (m/d) H = carga hidraulica (m) ∇ = operador diferencial ( zyx ∂∂+∂∂+∂∂=∇ /// ) Fue únicamente en 1927 que Israelsen observo que la ecuación para flujo en medio no saturado presentado por Buckingham en 1907 es equivalente a la ley de Darcy, la única diferencia es que la conductividad hidráulica es dependiente del contenido de agua del suelo, el cual lo denotamos como K(θ). Con la carga hidráulica definida como en la ecuación 11.19, la ley de Darcy para suelos no saturados puede ser escrita como:

x

hK

x

HKqx ∂

∂−=∂∂−= )()( θθ (11.24)

y

hK

y

HKqy ∂

∂−=∂∂−= )()( θθ (11.25)

z

hK

z

HKqz ∂

∂−=∂∂−= )()( θθ (11.26)

Donde qx, qy, y qz son los componentes del flujo del agua en el suelo en las direcciones x,y,z Conservacion de Masa: Ecuacion de Continuidad En anteriores secciones una forma general de la ecuación de continuidad fue derivada para flujo de agua independiente del tiempo, considerando el balance de masa de un volumen elemental que podría o no ganar o perder agua. En suelo no saturado, sin embargo, un volumen elemental similar puede ganar agua en ganancia de aire. Si w estate that this happens at a rate t∂∂ /θ , podemos escribir la ecuación 7.9 en la siguiente forma

qz

q

y

q

x

q

tzyx −∇=

∂∂−

∂∂

−∂∂−=

∂∂θ

(11.27)

Conservacion de Masa: Ecuacion de Continuidad La ecuación general de flujo de agua en medio isotrópico (i.e. medio para el cual la conductividad hidráulica es la mismoa en todas las direcciones) es obtenida por sustitución de la ley de Darcy (Ec. 11.24, 11.25, y 11.26) en la ecuación de continuidad (Ec. 11.27), el cual resulta

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂=

∂∂

z

HK

zy

HK

yx

HK

xt)()()( θθθθ

(11.28)

ó


34

Ht

∇⋅∇=∂∂

)(K θθ (11.29)

Para flujo saturado, el contenido de agua no cambia con el tiempo (ignorando la

compresibilidad del agua y del suelo), asi que 0 =∂∂

tθ , y por lo tanto

0)(K =∇⋅∇ Hθ (11.30) Si K es constante en el espacio, la ecuación de Laplace para flujo saturado permanente en un medio poroso homogéneo, isotrópico sigue de la ecuación 11.30

0 2 =∇ H (11.31) Sustituyendo H = z + h en la ecuación 11.28 produce

z

K

z

hK

zy

hK

yx

hK

xt ∂∂+

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂=

∂∂ )(

)()()(θθθθθ

(11.32)

Ya que θ esta relacionado a h via la curva de retención de suelo-agua, podemos también expresar K(θ). A través de la introducción de la capacidad de agua especifica, C(h), Ecuacion 11.32 puede ser convertida en una ecuación con una variable dependiente.

t

hhC

t

h

dh

d

t ∂∂=

∂∂=

∂∂

)(θθ

(11.33)

Donde C(h) = capacidad de agua especifica, igualando dθ/dh (i.e. la pendiente de la curva de retención de suelo-agua) (m-1) Reemplazando K(θ) por K(h) y sustituyendo la ecuación 11.33 en la 11.32 produce

z

hK

z

hhK

zy

hhK

yx

hhK

xdt

dhhC

∂∂+

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂= )(

)()()()( (11.34)

La ecuación 11.34 es conocida como la ecuación de de Richard. Con p/γ sustituida por h, esta ecuación se aplica a flujo saturado como también a flujo no saturado (excluido histeresis). Para resolver la ecuación 11.34 necesitamos especificar la relacion conductividad hidráulica, K(h), y las características suelo-agua, θ(h). Cuando consideramos flujo en la dirección horizontal (x) únicamente, la ecuación 11.34 se reduce a una ecuación para flujo horizontal no permanente

∂∂

∂∂=

∂∂

x

hhK

xt)(

θ (11.35)

Similarmente, la ecuación para flujo vertical no permanente es

+∂∂

∂∂=

∂∂

1)(z

hhK

zt

θ (11.36)

Para flujo de estado permanente, 0=∂∂

t

θ y h es únicamente una función de z.

Entonces la ecuación 11.36 se reduce a:

01)( =

+∂∂z

hhK

dz

d (11.37)

(Seccion 5.5 se trabaja con flujo no permanente para más detalles) Para flujo transiente (i.e. no permanente), encontramos la comúnmente usada ecuación unidimensional por sustitucion de la Ec. 11.33 en la Ec. 11.36, el cual da


35

+∂∂

∂∂=

∂∂

1)()(

1z

hhK

zhCt

h (11.38)

La ecuación 11.38 provee las bases para predecir movimiento del agua en el suelo transiente en suelos estratificados, del cual cada estrato puede tener diferentes propiedades físicas.

3.6.2 Flujo Permanente El caso de flujo más simple es el flujo vertical en estado permanente (ecuación 11.37). Integración de esta ecuación nos da

cdz

dhhK =

+1)( (11.39)

Donde c es la constante de integración, con cqx −= . Reescribiendo tenemos

+−= 1)(dz

dhhKq (11.40)

Donde q = densidad de flujo vertical (m/d) K(h) = Conductividad hidráulica como una función de h (m/d) h = carga de presión (m)

z = potencial gravitacional, positivo en dirección hacia arriba (m) Reordenando la ecuación 11.40 da

)(1

1

hK

qdz

dh

+

−= (11.41)

Para calcular la distribución de carga de presión (i.e. la relacion entre z y h para una cierta relacion K(h) y un flujo especificado q), la ecuación 11.41 debera ser integrada

∫∫+

−= rr hz

hK

qdh

dz00

)(1

(11.42)

Donde hr = la carga de presión (m); la condición de frontera superior zr = la altura de ascensión capilar para el flujo q (m) Para calcular en que altura altura por encima del nivel freático la carga de presión hr ocurre, la integración deberá ser realizada desde h=0, en el nivel de aguas subterráneas, hasta hr. Cuando el perfil de suelo afectado es heterogéneo, la integración es realizada para cada capa separadamente

∫∫∫∫− +

−−+

−+

−= n

n

n h

h

n

h

h

hz

hK

qdh

hK

qdh

hK

qdh

dz1

2

1

1

)(1

....

)(1

)(1

2

0

1

0 (11.43)

donde: n=el numero de capas en el perfil de suelo h1, h2, …..hn = las cargas de presión en la parte superior de la capa 1, 2, …,n. La solución de la ecuación 11.43 produce la altura de ascensión capilar, z, para densidades de flujo dados. Los valores de h entre los limites de las capas son desconocidos inicialmente, y


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deben ser determinados durante el procedimiento de integración. Asi, iniciando desde h = 0 y z = 0 en el nivel freático,

Ejemplo 11.2 Para proposito de drenaje, esto puede ser util para conocer el flujo maximo para una carga de presión de nivel freático dada y una cierta profundidad de nivel freático. Suponer que tenemos un cultivo el cual, en promedio, esta transpirando a una tasa de 2 mm/d. Esta agua es retirada desde la zona de raíz, es decir desde la parte superior 0.20 m del perfil del suelo. Asumimos que el cultivo padecería de sequía si la carga de presion en el centro de la zona de raíz cayera por debajo de -200 cm. Asumimos que el nivel de aguas subterraneas puede ser completamente controlado por drenaje. Para prevenir stress por sequia para el cultivo bajo cualquier condicion, la profundidad de aguas subterráneas controlada deberá ser tal que, bajo condiciones de estado permanente con una carga de presión de -200 cm en 0.10 m profundidad (i.e. profundidad promedio de la zona de raiz), la liberación de agua desde el agua subterránea por ascension capilar deberá ser igual al agua cogida por las raices, igualando a 2 mm/d.


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Figura 11.13 Calculos con el programa CAPSEV para un perfil de suelo de 5 estratos

A. Altura de Ascension capilar B. Perfiles de Carga de presión en caso de infiltracion


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4. Investigación en Drenaje Cuando el drenaje es considerado, es necesario una investigación para determinar la factibilidad del proyecto. La investigación deberá proveer un claro entendimiento del problema, los tipos y cantidad de prácticas necesarias, y un estimado de costos y beneficios esperados e impactos del proyecto. Se deben tomar en cuenta los siguientes factores:

1. Estudio de reconocimiento o Prefactibilidad “conclusiones y recomendaciones en el informe”

2. Estudio de Factibilidad 3. Estudio definitivo o de diseño

4.1 Mapeo de suelos Es el número de puntos que se toman de muestra Para suelos aluviales se recomienda un punto por hectarea para estudios de suelos y un punto para 4 has para el estudio del subsuelo

a) SCS (Soil Conservation Service) Recomienda hasta la mitad de los drenes la profundidad suponiendo que el dren se encuentre a 80 m ==> se debe hacer hasta los 40 m.

b) Bureau Reclamation 1 de cada 3 perforaciones hasta la capa impermeable 3 de cada 10 perforaciones hasta de 9 – 12 metros 6 de cada 10 perforaciones hasta 3 m de profundidad

4.2 Problemas de Drenaje Los problemas de drenaje podemos conocer a través del color del suelo

a) Suelos con Gley: Son suelos de color grisaceo que exponiéndose al aire cambian rápidamente de color a pardo. Los suelos con gley se forman cuando al NF a permanecido en estos suelos por largo tiempo y requiere de temperaturas no muy bajas

b) Suelos Rojizo uniforme: Significa que esos suelos tienen buen drenaje natural c) Grises Amarillentos: Significa que hay fluctuaciones de la napa freática d) Rojos, pardos, grises: Indican alto, medio y bajo contenido hierro e) Blanco: Indican la presencia de carbonatos y de yeso f) Suelos azules verdosos: indican la presencia de la permanencia de la NF

4.3 Métodos de Investigación en Drenaje Las investigaciones de las condiciones de drenaje forman parte del estudio agrohidrológico en el área considerada, como medidas para el control del agua de uso agrícola. En toda investigación en drenaje se debe tratar de encontrar respuestas a las siguientes preguntas:


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1) Existe o podrá existir excesos de agua? 2) Es adecuada la salida para eliminar los excesos de agua? 3) Cuál es la fuente de los excesos de agua? 4) El suelo puede ser drenado adecuadamente 5) Cuanta agua deberá ser removida? 6) Que tipo de sistema de drenaje dará los mejores resultados?

La respuesta a estas preguntas nos dará una idea clara del problema, su magnitud, extensión y las posibilidades de recuperación. Es importante al iniciar las investigaciones en drenaje que el primer paso sea la recolección, revisión y análisis de los datos existentes sobre: geología, suelo, topografía, pozos, niveles de agua y sus fluctuaciones, precipitación, flujo superficial, características climáticas, distribución y rendimiento de cultivos, distribución y calidad del agua de riego, etc. Del análisis de estos se determinará si son suficientes o si son requeridos datos adicionales, en que cantidad y de que tipo. Teniendo en cuenta los fines, extensión y nivel de investigación requerido, los estudios en drenaje pueden ser divididos en tres tipos:

- Reconocimiento - Estudio de factibilidad - Estudio de diseño

4.3.1 Estudios de reconocimiento Esta fase tiene como objetivo evaluar condiciones generales del área y determinar sus problemas existentes o potenciales. Este reconocimiento del problema de drenaje es necesario para obtener la mayor información posible y para suministrar las bases de un bosquejo de investigaciones adicionales necesarias; es debido a esto, que la época mas apropiada para esta clase de estudios, será cuando se manifiesten marcadamente los problemas de drenaje. El reconocimiento es generalmente una inspección del área desde puntos fácilmente accesibles, complementada con las opiniones e impresiones de las personas que habitan esos lugares. Por lo general, la clase de datos a observar durante este tipo de estudios no requiere el uso de instrumentos, sin embargo, ocasionalmente pueden ser necesarios para definir los limites de la cuenca o para determinar la posición relativa de una posible salida. Entre los objetivos que este tipo de estudio persigue se puede enumerar los siguientes:

a) Determinar la extensión del área que necesita recuperar b) Determinar el tipo de mejora requerida en el área con problemas de drenaje: prevención de

inundaciones, drenaje superficial, drenaje subterráneo, etc. c) Definir las salidas adecuadas para el área a ser mejorada d) Desarrollar un plan de recuperación e) Hacer un estimado de costos y beneficios de las mejoras propuestas


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El procedimiento que debe seguir la investigación debe considerar como el mínimo requerido y con ciertas modificaciones según las necesidades del proyecto los siguientes: 1) Reunir y Evaluar los datos existentes 2) Preparar un mapa del proyecto, en el cual se muestren los límites de la cuenca, las

corrientes de agua existentes, antiguos canales y drenes, las características físicas y otro tipo de información que se considere necesaria

3) Obtener y perfeccionar un mapa generalizado de suelos y de uso de la tierra 4) Hacer un reconocimiento del proyecto, observando la existencia de drenes o canales, las

condiciones topográficas y de cultivo y los niveles de agua subterránea. 5) Determinar las prácticas de riego, como método de aplicación de agua eficiencia de riego,

pendientes, prácticas agronómicas, tipo de cultivo, etc. 6) Determinar las salidas adecuadas para un mejoramiento de drenaje. 7) Hacer las siguientes determinaciones para evaluar las informaciones obtenidas del

reconocimiento: a.- Desarrollar un plan tentativo de mejoras b.- Localizar aproximadamente los drenes principales, secundarios y laterales, evaluando en forma adecuada las localizaciones actuales y sus profundidades en el área de estudio o áreas adyacentes. c.- Preparar los costos estimados, considerando desmonte, excavación, acarreo, control de erosión, puentes, alcantarillas, otras estructuras, tuberías, etc.

8) Hacer una comparación de los costos estimados contra los costos de proyectos similares que hayan sido construidos anteriormente.

9) Estimar los beneficios esperados en el proyecto una vez instalados las mejoras propuestas. Comparar costos y beneficios

10) Preparar recomendaciones

4.3.2 Estudio de Factibilidad Este tipo de estudio es de una mayor amplitud, aunque limitada todavía como para preparar los planes de construcción, sin embargo, los datos de campo recolectados pueden ser de suficiente exactitud como para ser usados en el diseño. Esta fase está dirigida a factores que no han sido suficientemente aclarados en la fase anterior, básicamente su finalidad es comprobar los factores fundamentales a que se ha llegado o comprobar las conclusiones y recomendaciones del reconocimiento. El estudio de factibilidad persigue los siguientes objetivos:

a) Localizar áreas especificas con necesidades de mejoramiento (control de inundaciones, drenaje superficial o subterráneo).

b) Desarrollar un buen plan de mejoramiento basado sobre las necesidades de las cuencas.

- Selección de criterios de diseño - Hacer el diseño preliminar y localizar todas las principales características de

las mejoras planteadas c) Preparar varios estimados de costos

Los proyectos propuestos para las mejoras deben ser tan completos como los datos lo permitan; para el desarrollo de los planes deben incluirse los siguientes puntos dentro del procedimiento:


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1) Mapa del proyecto, en el cual se muestren las mejoras propuestas, además debe

incluirse la siguiente información: a.- Localización del área drenada por todos y cada uno de los drenes principales y laterales que han sido estudiados b.- Límites del área drenada por los drenes principales y laterales c.- Uso de la tierra, caminos, centros poblados, servicios públicos, métodos de riego, puentes y alcantarillas a construirse o rehabilitarse, otras estructuras, etc. d.- Bombas, diques, compuertas y otras que puedan afectar los planes de drenaje.

2) Perfiles y secciones transversales; en lo posible deben incluirse todos aquellos perfiles y secciones transversales que han sido estudiados. En los perfiles se mostraran la altura normal o cota del terreno, las cotas de los puntos en el campo, la profundidad de canales existentes y los propuestos, diseño de la línea de gradiente hidráulico y las cotas y dimensiones de las obras como puentes, alcantarillas y estructuras de control. En el perfil del dren principal deberá determinarse y graficarse el tirante de agua a la salida, después de las mejoras del proyecto y para la secuencia del diseño. En las secciones transversales deben graficarse las secciones de canales propuestos y existentes, bermas, puentes y alcantarillas y se calculará el movimiento de tierra.

3) Trazado de los sistemas de drenaje recomendados y sus costos estimados 4) Diseño de las estructuras necesarias para la colección de las aguas de escorrentía a

los drenes principales y laterales, para prevenir la erosión, además de otras estructuras necesarias

5) Calculo hidráulico de los canales 6) Estimados de cantidades y costos (metrados y costos)

4.3.3 Estudio de Diseño En este estudio se deben suministrar las informaciones necesarias para el diseño y la ejecución del plan de desarrollo y de las obras de mejoramiento. En muchos casos, esta etapa de diseño, será una combinación con los estudios de factibilidad descritos anteriormente, sin embargo los estudios de factibilidad no siempre suministran la información detallada necesaria para el diseño, siendo esto particularmente cierto cuando se trata de drenaje subterráneo. Es necesario entonces que se evalúen los datos existentes y luego se determine la cantidad de datos adicionales necesarios para la construcción del diseño propuesto; es también importante que, dependiendo del tiempo desde que han sido tomados los datos existentes, se haga una prueba de campo al azar con el fin de comprobar y verificar dichos datos. Los datos requeridos para el diseño se podría enumerar de la siguiente manera, algunos de los cuales son aprovechables de estudios anteriores: 1) Delimitar el área problema; deben usarse mapas de suelos, haciendo adicionalmente algunos barrenados para hacer una comprobación de la información de dichos planos, igualmente se harán observaciones de campo y deberá lograrse entrevistas con las personas del lugar, examinar los registros de las fluctuaciones de la tabla de agua y determinar si es necesario drenaje subterráneo y comprobar si el área problema ha sido adecuadamente definida.


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2) Para grandes proyectos, se debe mostrar en mapas la variación estacional de los niveles de agua subterránea y de los niveles piezometricos. 3) Determinar las inundaciones estacionales del área problema, su extensión y frecuencia, así como si las salidas son adecuadas. 4) Establecer el uso de la tierra, algunos cambios propuestos en los tipos de cultivo y los requerimientos de drenaje. 5) Hacer la topografía del área problema, en la cual se seleccionará la localización de todos los drenes principales, laterales, interceptores de alivio y las tuberías necesarias para cumplir los objetivos del proyecto. 6) Determinar las áreas de influencia de todas las zanjas de drenaje, principales y laterales, así como de todos los drenes subterráneos. 7) Estudiar y plotear las secciones y perfiles transversales adecuados para el diseño y la estimación de las cantidades de movimiento de tierras. 8) Hacer las investigaciones geológicas y de agua subterránea y los ensayos para determinar donde sea necesario, la estabilización de los canales. 9) Determinar todas las otras mejoras necesarias como puentes, alcantarillas, estructuras de control, entradas de agua superficial a los drenes enterrados o a los drenes abiertos, diques, etc. Obtener la información necesaria para el diseño estructural y para la base hidráulica de cada uno de ellos 10) Desarrollar las especificaciones de construcción para todos y cada unos de los trabajos enunciados anteriormente. 11) Estimar las necesidades de materiales, equipos y costos.

4.4 Investigaciones en Drenaje Subterráneo En todo proyecto de drenaje ciertas investigaciones son necesarias, incluyéndose dentro de ellas mapas topográficos, suelos, uso actual de la tierra y prácticas de cultivo, estudios de precipitación, escorrentía, evapotranspiración y registros de flujo de agua hacia los drenes y hacia el área; perfiles y secciones transversales e investigaciones de perfiles del suelo para zanjas abiertas. Asimismo son necesarias investigaciones geológicas y de agua subterránea. Además de las investigaciones señaladas para todo proyecto de drenaje, son necesarias otras, para proporcionar información donde los estudios preliminares han indicado la necesidad de un drenaje subterráneo. Estas investigaciones difieren de las requeridas para drenaje superficial, en que es necesario obtener información sobre el agua subterránea, medidas de la tabla de agua, salinidad y las condiciones bajo los horizontes superficiales del suelo, aumentando la información que es necesaria para el drenaje subterráneo. Es también necesario obtener información de la permeabilidad para apreciar el movimiento del agua subterránea tanto horizontal como vertical a través del suelo y de los materiales subsuperficiales, teniendo en cuenta que la permeabilidad varía con el tipo de suelo y/o materiales subsuperficiales y con la textura y estructura. En resumen las investigaciones de drenaje subterráneo además de lo que se necesita en drenaje superficial, requieren un mayor detalle en la información de suelo, subsuelo y condiciones de agua subterránea. Los estudios o investigaciones para drenaje subterráneo son los siguientes:


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1.- Estudio topográfico 2.- Investigaciones de Suelos

a.- Estudio de mapas de suelo b.- Datos de salinidad y alcalinidad

3.- Exploraciones subsuperficiales a.- Materiales constituyentes del suelo y subsuelo b.- Medidas de Conductividad Hidráulica

4.- Investigaciones de agua subterránea a.- Posición relativa del nivel freático con respecto a la superficie del suelo b.- Fluctuaciones de los niveles freáticos c.- Salinidad del agua subterránea 5.- Prácticas y Requerimientos de riego a.- Calidad del agua de riego b.- Frecuencia y tipo de riego c.- Cantidad y lámina de agua aplicada por cada riego d.- Requerimiento de lavado y láminas perdidas por percolación e.- Pérdidas por escorrentía y otros en las parcelas de riego 6.- Investigaciones en sistema de drenaje subterráneo existente.

4.4.1 Estudio topográfico Los estudios topográficos de un área determinada son esenciales para determinar la configuración superficial, incluyendo pendientes superficiales, dirección natural de drenaje y las potenciales salidas de drenaje, incluyendo las zonas adyacentes al área problema. En el caso del drenaje subterráneo es necesario un mapa topográfico, aerofotografías y planos catastrales para que en ellos pueda hacerse referencia de la conformación e información de suelos y agua subterránea. Los planos catastrales son importantes en este tipo de estudio, porque proporcionan información sobre límites parcelarios, caminos existentes, áreas cultivadas y desnudas e información sobre drenes y canales. Los planos topográficos a curvas de nivel suministran la información sobre la configuración del terreno, así como de áreas adyacentes, en ciertos casos los planos topográficos existentes no poseen las curvas de nivel a un determinado espaciamiento, de interés, por lo que habrá que hacer un levantamiento de manera de completar los datos necesarios. Estos planos topográficos deben ser hechos a las escalas que permitan realizar y hacer fácil el trabajo, dependiendo del nivel de estudio, así para estudios de prefactibilidad se usan escalas de 1:50,000 a 1:25,000 para nivel de factibilidad de 1:25,000 a 1:10,000 y para nivel de detalle 1:5,000 a 1:2,000. Para áreas pequeñas (500 a 1000 has) la escala podrá ser 1:2,000 a 1:5,000, para áreas mas grandes la escala recomendable podrá ser 1:10,000. Un intervalo de curvas de nivel de 0.50 m. Es adecuado y proporciona una buena información hasta escalas de 1:10,000. La aerofotografía es aplicable no solamente para la elaboración de cartas siendo este un uso importante pero único, en este caso servirá para delimitar las áreas afectadas con problemas de drenaje, estimar costos de trabajos, determinar la accesibilidad a las áreas, evaluar los cultivos, etc., estas fotografías aéreas son muy útiles debido a su facilidad de lectura, ya que muchos datos que en ella existen no se consignan en los planos. Las aerofotografías se encuentran en escalas entre: 1:10,000 a 1:20,000, existiendo a escalas de 1:5,000.


44

Figura : Tipico mapa topografico en un area irrigada

4.4.2 Estudios geológicos Los estudios referentes a la geología deben ser ejecutados sin que sean muy detallados, simplemente se trata de conocer los grandes horizontes que puedan permitir comprender los fenómenos de bloqueo del flujo subterráneo, lo que trae consigo niveles freáticos altos también podrá aclarar algo respecto a la salinidad del suelo. Existen instituciones dedicadas a las actividades mineras o petroleras que poseen cartas geológicas y que muy bien pueden ser usados para el propósito del estudio de drenaje.


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Este estudio indicará las características de la formación del área, tipo de materiales que se encuentran, características de la cuenca y cursos de agua, orígenes de las formaciones, permeabilidad de los materiales, etc., en lo que respecta a la geomorfología. En lo referente a la hidrogeología el estudio deberá indicar la cantidad y ubicación de los pozos de bombeo, si existen, así como los perfiles litológicos y características hidrodinámicas del acuífero.

4.4.3 Estudio de Suelos. El estudio de suelo es uno de los pilares en cualquier estudio de drenaje agrícola. Sus objetivos son el de localizar y describir las diferentes características de las capas superiores del suelo, en la cual se desarrollan las raíces de los cultivos y las características del acuífero superficial, estudiar las propiedades de las capas del suelo subyacente que tienen relación con el proceso de afectación y determinar su drenabilidad. Al planear un estudio de suelo será necesario revisar la información disponible, comprendida básicamente por los estudios agrológicos, los cuales contienen datos comúnmente aprovechables, pero también hay que tener en cuenta que estos estudios del perfil del suelo son realizados hasta profundidades que generalmente no llegan mas allá de 1.20 m a 1.50 m, lo cual no es suficiente para los fines de drenaje subterráneo que requiere mayores profundidades, además dependerá fundamentalmente de su localización con respecto a los estratos permeables e impermeables, razón por la que los estudios de suelos usados con el propósito de clasificación no sean suficientes para el diseño del drenaje. Los estudios agrológicos tendrán importancia en la planificación de cultivos pudiendo definir potenciales problemas de drenaje, analizándose características como estructuras, texturas, pedregosidad, pendiente, drenabilidad superficial, infiltración, constantes hídricas y algunos otros valores. Debido a esto los sondeos de suelos serán necesarios para determinar la profundidad, espesor y continuidad de los diversos materiales o estratos, así como la posición vertical de cada uno de ellos con respecto a la superficie del terreno; estimación de la permeabilidad de los diversos estratos del suelo, localización de capas de muy baja permeabilidad y de otros materiales que deben ser considerados en el diseño.

4.4.3.1 Mapeo de suelos En las pruebas o sondeos de campo se trata de describir, como se dijo anteriormente las características del suelo y la posesión, espesor y continuidad de los diversos estratos. Estas perforaciones o sondeos deberán ser distribuidos en el campo de manera que su densidad dé la información y el grado de detalle que se desee. La distribución de estos puntos de mapeo, no tiene una regla fija, pero es conveniente que sean arreglados en forma de un sistema de cuadriculas, lo que permitirá representar la estratigrafía del suelo en perfiles longitudinales y transversales.

4.4.3.2 Densidad de mapeo La densidad de perforaciones deberá basarse sobre un conocimiento de los suelos, de la geología local y de la experiencia ganada en un área de trabajo particular.


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Estos sondeos deberán ser espaciados lo suficientemente como para permitir la correlación de los estratos superficiales. Esta densidad de los puntos de mapeo dependerá principalmente de la distribución de los materiales de la zona, la que es proporcionada por un estudio geomorfológico. Cuando los materiales que constituye un suelo son heterogéneos, es decir de capas de textura variada, la densidad de mapeo dependerá del nivel de detalle necesario y del tiempo que lleve el estudio, tratando de establecer un equilibrio entre ambos. Así por ejemplo, cuando un suelo está formado por material aluvial, donde los sedimentos son materiales heterogéneos depositados en un modelo complejo, el espaciamiento necesario será de 30 metros o menos; mientras que con áreas de suelos residuales homogeneos el espacimiento puede ser tan grande como 300m. Un procedimiento usual en el campo práctico, es seleccionar un espaciamiento de cuadrícula basada sobre una experiencia previa, comenzar las exploraciones subsuperficiales e intentar la correlación de los datos con las progresivas perforaciones o sondeos. Si la correlación entre los sondeos es pobre o baja, los datos deberán completarse con otros obtenidos de un espaciamiento que sea la mitad del anterior y repetirse el proceso de correlación. Es también frecuente en ciertas partes de un área que la correlación sea buena, mientras que en otras secciones sea pobre. En este último caso, el modelo de cuadrícula deberá completarse con perforaciones adicionales en la parte donde la configuración del subsuelo y subestratos sea necesario aclarar. Como una pauta para un estudio a nivel detallado se puede recomendar un punto de sondeo por cada 4 hectareas, esto quiere decir una cuadrícula de 200m de lado. Una densidad tentativa de muestreo ha sido presentada por Hatta y Salazar (1974) en base a la experiencia de estudios realizados en el Perú, para estudios a nivel de región y parcelarios los cuales se presentan en la siguiente tabla: Area de estudio Nivel de estudio Distancia entre puntos de

muestreo (m) Superficie representada por punto (ha)

Región Parcela

Reconocimiento Semidetallado Detallado Reconocimiento Semidetallado Detallado

2000 - 3000 1000 – 2000 500 – 1000 mayor de 300 200 – 300 menor de 200

400 – 900 100 – 400 25 – 100 mayor de 9 4 – 9 menor de 4

4.4.3.3 Profundidad de Muestreo La profundidad de muestreo es un punto muy importante en la investigación de los problemas de drenaje, diferenciándose de los estudios de clasificación de suelos en la mayor profundidad requerida. Se debe tener en cuenta que los drenes subsuperficiales son colocados a profundidades entre 1.50m a 2.50m, en el caso de zonas áridas bajo riego y entre 0.90 m a 1.80m en zonas


47

húmedas, esto debido a que el flujo de agua subterránea hacia los drenes, a través de los materiales de suelo y subsuelo se extienden desde la superficie de la tabla de agua hasta varios metros debajo de los drenes. La profundidad de esta región variará con la conductividad hidráulica de los materiales subsuperficiales, de manera que la mayor importancia radica en las capas u horizontes de mayor actividad hidrodinámica. Es también importante considerar que los análisis matemáticos de las condiciones subsuperficiales para establecer el flujo natural y requerimientos de drenaje necesitan un valor de la profundidad de la capa impermeable. El servicio de conservación de suelos de los Estados Unidos da un punto de partida para profundidad de sondeo, recomendando que debe ser la mitad del espaciamiento de drenes, con algunas profundidades de muestreo entre 4.5m y 6.0m, que conjuntamente con las otras servirán para determinar la composición de los horizontes subyacentes. Estiman que en áreas bajo riego una profundidad de 3 m es adecuada, pero profundidades de muestreo tales como 6m, deberán entrelazarse con las otras para determinar las características de los estratos subyacentes. El Bureau Reclamation (1964) establece tentativamente profundidades de perforación distribuidas en la forma siguiente: 1 de cada 10 perforaciones hasta la capa impermeable 3 de cada 10 perforaciones hasta los 9 a 12 metros 6 de cada 10 perforaciones hasta los 3 metros Los métodos y equipos de perforación dependerán de los materiales del subsuelo y de la profundidad de sondeo. En relación a los equipos que permitan conocer la estratigrafía del suelo, cualquiera de ellos puede ser usado, siendo los más comunes los tipos de tornillo, holandesa, de hierto, para postes, etc. de ellas las más utilizadas son las dos primeras y de estas la holandesa que combina el tornillo con una cavidad para extraer el material. La barrena tipo holandesa tiene la ventaja de contar con dos variantes una de hoja abierta para usar en suelos de textura fina, y el de hoja cerrada para suelos de textura gruesa.

4.4.3.4 Características del suelo a evaluar El principal interés del drenaje subsuperficial es el movimiento del agua a través del suelo, entendiéndose como suelo a la parte superficial y como subsuelo a los estratos más profundos. Toda planificación del drenaje está basado sobre el fenómeno del movimiento del agua a través de estos estratos. Las características del suelo como textura, estructura, porosidad, propiedades químicas, distribución de partículas, etc., afectan este movimiento, así como la composición química del suelo; de manera que en estudios con fines de drenaje, solamente se tomarán en cuenta a aquellas características que relacionan el aspecto hidrodinámico, sin que esta discriminación signifique que las otras características son menos importantes y que ya son evaluadas en otro tipo de estudio. Entre las características del suelo a evaluar se puede describir de la siguiente forma:


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Textura: Es importante en drenaje subsuperficial debido a que está relacionada con la permeabilidad y la retención del agua por el suelo. La estimación de la textura puede hacerse en el campo mediante la apreciación al tacto y en el laboratorio mediante análisis mecánico. La estimación al tacto exige un personal entrenado y experimentado. Estructura: Es una característica muy útil en la evaluación y correlación de la permeabilidad en suelos con texturas similares. El tamaño, forma y arreglo de los agregados y el tamaño y forma del espacio poroso dan la estructura al suelo. La forma y arreglo de los agregados determinan el tipo de estructura, el tamaño de esos agregados, la clase estructural y la estabilidad de los agregados, el grado estructural. Con la información sobre la estructura del suelo puede inferirse sobre a) infiltración y permeabilidad, b) posibilidad de penetración de raíces y c) facilidad de laboreo. Consistencia: La consistencia del suelo, es la resistencia de éste, a los efectos de deformación o ruptura y las manifestaciones de las fuerzas de adhesión y cohesión que actúan en el suelo a diferentes contenidos de humedad; apreciándose cuando es seco o húmedo. La determinación de la consistencia podrá ayudar a deducir la presencia de capas duras en el suelo que impiden la penetración de raíces y dificultan el movimiento del agua.

4.4.4 Estudio del Regimen Freatico Consiste en estudiar la posición y fluctuación del N.F. a traves del tiempo, cuando se requiere determinar el nivel de la N.F. basta hacer una perforación en el suelo y esperar a que el agua subterranea adquiera su nivel normal para proceder. Tomar la lectura, cuando se requiera lecturar por un largo periodo de tiempo. Se construye pozos de observación. Pozos de observación.- Son pequeñas estructuras que nos permiten determinar la posición y fluctuación de la N.F. los pozos de observación pueden ser permanentes, temporales y eventuales. Permanentes.- Se construye este tipo de pozos cuando se requiere tomar lecturas por un largo periodo de tiempo, estos pozos son entubados Temporales.- Se construyen estos pozos cuando se requiere estudios del nivel de la N.F para un periodo determinado, puede ser para estudios de riego o drenajes, estos pozos tambien son entubados. Eventuales.- se utilizan estos pozos para hacer algunas observaciones, pueden ser entubados o a tajo abierto. Utilidad de los pozos de observación - Para conocer la naturaleza y extensión del problema - Para determinar el origen del agua subterranea - Para evaluar el funcionamiento del sistema de drenaje - Para evaluar parámetros hidrodinamicos


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Cuidados en la instalacion de Pozos de Observación - Se debe de ubicar en lugares representativos y donde la N.F. esta alto - Se debe de ubicar en lugares seguros para evitar su destrucción. - La perforación del tubo se debe dar en una longitud de 1 – 1.50 metros que se ubicara por debajo de la N.F. - Las perforaciones deben ser tan densas a lo largo del tubo con un espaciamiento de 5 cm en forma alternada. El diámetro de las perforaciones deben estar entre 1 a 3mm. - Cuando un pozo de observación se instala en una zona de riego, la parte superior del pozo debe estar empotrado en una estructura de concreto siempre de 20 a 30 cm por sobre de la superficie del suelo. Equipos y Materiales que se utilizan - Wincha con boya y barrena Auger Hole de 8 a 10 cm de diametro - Tubo de PVC o galvanizado de diámetro de 1”, 1/2", 3/4" - Material filtro protector (Tocuyo, fibra de coco o fibra sintetica) - Concreto simple - Tapas metálicas de luz - Herramientas de albañileria Hidrograma de un pozo El hidrograma de un pozo se obtiene simplemente ploteando los niveles de agua subterranea a traves del tiempo.

Figura : Hidrograma de un pozo de observacion


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Figura : Superficies de nivel sobre superficie de agua subterránea

4.5 Calculo de la Conductividad Hidraulica El valor de la conductividad hidráulica K del terreno es obviamente una característica muy importante para el drenaje (especialmente respecto al drenaje del agua subterranea). El drenaje natural de la tierra y el alcance para y costos de drenaje mejorado que todos dependen grandemente en él. La determinación del valor de K del terreno tierra es así un aspecto importante de casi cualquier investigación del drenaje.

1. Métodos basados en alguna característica del suelo. Estos métodos son poco precisos por lo que en drenaje no se utiliza. Estos métodos son los siguientes:

1.- Curva de retención de humedad 2.- Curva granulométrica

2. Métodos de laboratorio. Entre estos métodos tenemos los siguientes:

1.- Método del permeámetro de carga constante. 2.- Método del permeámetro de carga variable.

3. Métodos de campo. 1.- Métodos a gran escala que lo utilizan en hidrogeología

Ejemplo. En las pruebas de bombeo 2.- Métodos puntuales.


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• Método del agujero de barrena (Auger – Hole) • Método del piezómetro • Método del barreno invertido (Auger – Hole invertido)

4.5.1 Medida del laboratorio Con estos métodos el valor de K es medido en el laboratorio en una muestra de suelo tomada en el campo. La calidad de los resultados depende mucho de la calidad de la muestra que debe ser representativo del sitio bajo la investigación.

capa I anillo I (horizontal) anillo (vertical) capa II II capa III III Figura 16.1 Muestreo en una calicata de suelo.

1) Método del permeámetro de carga constante.- Son aquellos donde el nivel de agua se mantiene constante y se utiliza para suelos permeables “arenas”

h1

Agua

A L

h2

Agua

………………… (1) …. ..…………… (2)

Q = AV

Q = ▼ t

V = Ki

V = K h1 – h2 L

i = h1 – h2 L


52

Igualando la ecuación (1) y (2). ó

2) Método de permeámetro de carga variable.- En este tipo de permeámetros se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo por diferenciación de niveles. Este tipo de permeámetros se utiliza para suelos finos y suelos gruesos.

AL

dh h

h1

h2

………………………… (1) …………………………………. (2) Igualando las ecuaciones (1) y (2) se tiene: cm/seg

AK h1 – h2 = ▼ L t

K = ▼L tA (h1 – h2)

K = ▼L A (h1 – h2) t

Q = AV

Q = ▼ t

V = K h1 – h2 L

dQ = AK h1 – h2 dt L

dQ = a dh dt dt

K = L.a ln h1 A.t h2


53

4.5.2 Mediciones de campo debajo del Nivel Freático Una distinción es hecho entre la determinación de conductibilidad hidráulica debajo del nivel freático y sobre el nivel freático. Se han desarrollado los métodos fiables para medicion debajo del nivel freático considerando que los métodos empleados sobre el nivel freático generalmente son menos satisfactorios. El último se discute en sección 16.3. Método del agujero de barreno (Auger – Hole).- Hooghoudt (1936) desarrolló una ecuación empírica que relaciona la Conductividad Hidráulica a la tasa de ascenso del nivel de agua en agujero de barreno extraido. El análisis de Hooghoudt fue seguidamente refinado por Kirkham y Van Bavel (1948) y por Ernst (1950). Este método también se conoce con el nombre de Hooghoudt, este es el método que mas se utiliza en estudios de drenaje, el inconveniente de este método es que mide la conductividad hidráulica solamente en suelo saturado. El procedimiento es el que sigue:

• Se ubica en un lugar representativo para realizar la prueba y con la barrena Auger – Hole se hace perforaciones hasta 60 u 80cm por debajo de la napa freática, luego se espera hasta que se recupere el nivel del agua freática hasta su estado normal, para luego deprimir lentamente el nivel del agua subterránea con un extractor de agua (paillar) y tan rápido como sea posible se inicia las lecturas en ascenso de agua en un intervalo de tiempo ∆t.

• Luego se determina la conductividad hidráulica utilizando la formula de hooghoudt. Formula de Hooghoudt (1936) Establece una formula para S = 0 y S ≠ 0

2r

S.S.

C.I.

N.F.

S

H

hnh1ho

h

h = ho + hn 2


54

Condición Asumimos

• Suelo homogéneo e isotropito • Flujo horizontal en las paredes del pozo • No hay abatimiento en el pozo, en el momento de realizar la prueba

Primera formula de Hooghoudt cuando S ≠ 0 ………………………… (1) R = factor de geometría

• Es por los laterales y por la parte inferior (r y H; cm, cm) entonces K = m/s (r y H; cm, m) entonces K = cm/s Cuando el flujo es por el fondo del pozo ………………………………… (2) Sumando las ecuaciones (1) y (2) Aplicando integrales se tiene Segunda formula de Hooghoudt cuando S = 0

∆h = ho 4

dh = 2πrH *K* h dt π* r2 R

dh = 2H *K h dt r R

R = rH 0.19

R = rH 19

dh = K h dt R

dh = 2H *K h + K h dt r R R

K = R * r *ln ho t (2H + r) hn


55

…………De la ecuación (1) METODO DE ERNST. (1950).- Ernst al examinar el pozo barrenado directo y con la ayuda del calculo numérico establece dos formulas para S = 0 y S ≠ 0 1.- Primera formula de Ernst (1950) Cuando S = 0 C = factor de geometría; C = 4 y 5 del nomograma ∆h = ho 4 K = conductividad hidráulica en m/día ∆t = es la velocidad del ascenso del agua

a) Cuando S ≥ H/2 entonces

b) Cuando S = 0 entonces

METODO DEL PÌEZOMETRO. Este método fue desarrollado por Luthin y Kirkham (1971). Es muy similar al agujero de barreno directo con la única diferencia que en el hoyo se pone un tubo delgado dejando una cavidad pequeña en el fondo del pozo sin entubado.

dh = 2H *K h dt r R

K = rR * ln ho 2Ht hn

K = C ∆h ∆t

C = 4000 * r2 (H+20r) (2–h/H) h

C = 3600 * r2 (H+10r) (2–h/H) h


56

Yo

Yn

h

2r

H

S

N.F.

C.I.

S.S.

El piezómetro es un tubo delgado de 2.5 a 5 centímetros El procedimiento es el que sigue 1.- Se hace un hoyo en el suelo muy por debajo de la napa freática (N.F.) 2.- Se introduce el tubo dejando una cavidad en el pozo. 3.- Se deprime violentamente el agua del interior del tubo y luego se inicia las lecturas en un diferencial de tiempo para determinar la conductividad hidráulica aplicando la siguiente formula. K = conductividad hidráulica r = diámetro interior del tubo en cm

(tn – to) = es el tiempo que demora la prueba Yo = es el nivel del agua al inicio de la prueba Yn = es el nivel del agua al final de la prueba

4.5.3 Mediciones de campo Encima del Nivel Freático METODO DE AUGER – HOLE INVERTIDO O METODO DE PONCHE T. Se utiliza este método cuando la napa freática se encuentra muy profunda; consiste en hacer un hoyo con la barrena Auger – Hole hasta la profundidad deseada y luego agregar hasta el nivel Yn; para luego armar lecturas del descenso del nivel del agua hasta llegar a Yo.

K = π r2 * ln Yo A(to-tn) Yn


57

Yo

Yn

2r

La conductividad hidráulica se determina mediante la siguiente formula

Problema. En una prueba de conductividad hidráulica por el método de agujero de barreno se controla la siguiente información.

t (seg.) Y´ (cm.) ∆Y (cm.)

0 153.5 0 10 152.3 1.2 20 151.1 1.2 30 149.9 1.2 40 148.7 1.2 50 147.5 1.2 60 146.3 1.2 70 145.1 1.2 80 144.1 1.0 90 143.1 1.0

K = r * ln (Yn + r) - ln (Yo + r) 2 2 2 cm/s tn – to

K = 432r (ln (Yn + r/2) – ln (Yo + r/2)) m/día tn - to


58

porta

wincha

Yó

Yń

W

W´

wincha

D´

D

Y

h

Yo

Yn

H

S

N.F.

C.I.

S.S.

2r

De igual manera D´ = 208cm W´ = 121cm r = 5cm = 0.05m S = 100cm Tº = 20 º C D = W + H H = D´+ W´ ∆Y = Yó – Yń Y = Yó - ∆Y/2 Determinar la conductividad hidráulica por el método de Hooghoudt

K = R * r *ln ho t (2H + r) hn

Yo = Y´- W´ Entonces: Yo = 153.5 – 121.0 Yo = 32.5cm

Yn = Yń –W´ Entonces Yn = 143.1 – 121.0 Yn = 22.1


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Ejemplo aplicativo: En una prueba se ha encontrado la siguiente información H = 1m C = 5cm l = 25cm r = 5cm D = 200cm W = 100cm

∆Y ≤ Yo = 32.5 = 8.12cm 4 4

Luego probamos con cada uno de los datos hasta que se cumpla la condición ∆Y ≤ Yo 4 ∆Y = Yó – Yń = 153.5 – 143.1 = 10.4 ∆Y = Yó – Yń = 153.5 – 144.1 = 9.4 ∆Y = Yó – Yń = 153.5 – 145.1 = 8.4 ∆Y = Yó – Yń = 153.5 – 146.3 = 7.2 ok Por lo tanto Yó = 146.3 Luego el Yn verdadero será Yn = 146.3 – 121 = 25.3 H = 208 – 121 = 87cm = 0.87m Y = 32.5 – 7.2/2 = 28.9m

R = rH = 0.05 * 0.87 = 0.2283 0.19 0.19 Remplazando en la formula: K = 0.05 * 0.2288 * ln 32.5 (2*0.87 + 0.05)60 25.3 K = 2.30 m/día

Por la formula de Ernest (m/d) K = 4000 * r2 * ∆Y (H+20r) (2–Y/H) Y ∆t K = 4000 * (5)2 * 7.2 (87 + 20*5)(2 - 28.9/87)28.9 60 K= 1.3314 m/día


60

Yt 170 – 100 = 70 165 – 100 = 65 160 – 100 = 60 152 – 100 = 52

t (s) Y´t (cm) ∆Y (cm) Yt (cm) 0 170 70 20 165 5 65 40 160 5 60 60 156 4 56 80 152 4 52


61

5. Sistemas de Drenaje Sub-Superficial

5.1 Introduccion El objetivo de estos drenes es bajar el nivel de la napa freática y llevarlo hacia fuera de la zona con problemas.

5.2 Criterios de Diseño 1. Ubicación.- Los drenes parcelarios se ubican de tal manera que intercepta el flujo

subsuperficial, teniéndose al respecto los siguientes sistemas - Sistema simple: Es cuando los drenes parcelarios desembocan directamente en el

colector - Sistema compuesto: Que puede ser tipo parrilla, espina de pescado y sistema

randomnizado complejo En estos sistemas los laterales y los colectores van entubados, teniéndose una estructura de control y limpieza en la intersección de ambos drenes llamada buzones

(a) Paralelo (b) Espina de Pescado

(c) Doble Principal (d) Aleatorio complejo Figura 5.1: Tipos de sistemas colectores de drenaje


62

2. Criterio de profundidad.- En los drenes parcelarios o laterales se debe instalar a la

profundidad siguiente: - Profundidad de las raíces de los cultivos - Teniendo en cuenta la profundidad de la capa impermeable - Teniendo en cuenta el nivel del agua en el colector - Teniendo en cuenta la profundidad de perforación de la máquina zanjadora

entubadora. Estas máquinas excavan en el suelo hasta 2.5 metros, 2.00 metros y 1.5 metros

* Si es para papa, el dren se puede construir a 1.20 m de la profundidad de la superficie del suelo * Para el azúcar el dren debe estar a 2.20 m

3. Criterio de Espaciamiento.- Es un parámetro que debemos tomar muy en cuenta para

el diseño de los drenes, donde interviene el cultivo, la conductividad hidráulica, el tipo del suelo y el agua (limpia, salina). Para poder determinar el espaciamiento de los drenes debemos de tener en cuenta el régimen estático y dinámico del agua.

Figura 5.2: Consideraciones en la adopción de espaciamientos de drenes.


63

4. Criterio de la Subirrigacion, sabemos que la Subirrigacion se trata de la aplicacion del

agua de riego debajo de la superficie del terreno por ascenso del nivel freático adentro o cercano a la zona de raíz.

Figura 5.3: Esquema de la interaccion del espaciamiento, Subirrigacion, Precipitación, entre otros.

5.3 Determinación del Coeficiente de Drenaje Esta es la tasa de remoción de agua usado en el diseño de drenaje para obtener la protección deseada de cultivos del exceso de agua superficial o sub-superficial y puede ser expresada en mm/dia , m/dia etc. El Drenaje es diferente en Areas Alimentadas por Lluvia (Rain-Fed) y Areas Irrigadas

5.3.1 Coeficiente de Drenaje en Area Alimentadas por Lluvia Esto es seleccionado de la experiencia dependiendo de la precipitación. Los Siguientes son referenciales. A. Tabla 4.1 : Coeficiente de Drenaje para Areas Alimentadas por Lluvia* Precip. Media Anual Coeficiente Drenaje (mm/dia) (mm/año) Minist. de Agric. Hudson 2000 25 20 1950 25 19.5

1500 19 15 1000 13 10 875 10 10 < 875 7.5 10 ...................................................................................................... *Segun Ministry of Agric., U.K (1967) & Hudson (1975) Nota: Hudson sugiere que para PMA > 1000 mm, coeficiente de drenaje es PMA/1000 mm/dia y cuando PMA < 1000 mm, coeficiente de drenaje es 10 mm/dia.

PRECIPITACION ó ET

ESCORRENTIA (RO)

Nivel Freático Subirrigación

Drenaje

Superficie Suelo Infiltración (F)

Percolación Profunda (DS) Capa Restrictiva

Depresión Almacenamiento (S)


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B. De registro de precipitación, determine precipitación pico con una cierta probabilidad dependiendo del valor de los cultivos o terrenos a proteger, p.e. precipitacion 5 dias para un periodo de retorno de 1: 2. C. Dividir la precipitación de la precipitación mensual heaviest por los dias del mes, p.e. en San Agustin, Trinidad, precipitacion mensual heaviest es Agosto con 249 mm. i.e. Descarga Drenaje = 249/31 = 8.03 mm/dia. Use este metodo como un último recurso.

5.3.2 Coeficiente de Drenaje en Areas Irrigadas En areas irrigadas, el agua ingresa al agua subterranean desde:

- Percolacion Profunda, - Requerimiento de lavado, - Filtracion o - Perdidas por conduccion desde cursos de agua y canales - Precipitacion para algunas parte del mundo.

Ejemplo En el diseño de un sistema de riego, existen las siguientes propiedades: Capacidad de Campo del Suelo es 28% por peso, punto de marchitez permanente es 17% por peso; Densidad Volumetrica = 1.36 g/cm3 ; profundidad zona de raiz es 1 m; ET pico es 5 mm/dia; eficiencia de riego es 60%, eficiencia de conducción de agua es 80%, 50% de perdida de agua en canales contribuye a filtracion; precipitacion para enero es 69 mm y evapotranspiracion es 100 mm; salinidad de agua de irrigacion es 0.80 mmhos/cm mientras que el aceptable es 4 mmhos/cm. Calcular el coeficiente de drenaje. Humedad Facilmente Disponible (RAM) = ½ (FC - PWP) = 1/2(28 - 17) = 5.5%. En profundidad, RAM = 0.055 x 1.36 x 1000 mm= 74.8 mm = Demanda de Riego Neta Intervalo de Riego mas corto = RAM/ETpico = 74.8/5 = 15 dias Con eficiencia de riego de 60 %, Demanda de riego Bruta = 74.8/0.6 = 124.7 mm. Esto es por riego. (a) Perdida de Agua = Demanda Bruta - Demanda Neta = 124.7 - 74.8 = 49.9 mm Asumiendo 70% es percolacion profunda mientras que 30% es derrochada sobre la superficie (suposicion estandar), percolacion profunda = 0.7 x 49.9 = 34.91 mm (b)Infiltracion

Eficiencia de Conduccion, BocatomaensoltadaAgua

fincasaentregadaAguaEc =

= 0.8 Agua entregada a fincas = Demanda Bruta =124.7 mm i.e. Agua soltada = 124.7/0.8 = 155.9 mm Exceso de agua o perdida de agua en canal = 155.9 - 124.7 = 31.2 mm Desde que la mitad del agua es filtracion (dado), el resto es por evaporacion durante conduccion


65

Filtracion = 1/2 x 31.2 mm = 15.6 mm

(c) Requerimiento de Lavado = ( ) ( )

4

691008.0

−=−

accepEc

LluviaETEcirrig

= 7.75 mm

Esto es para un mes; para 15 dias, tenemos 3.88 mm (d) Precipitacion = 69 mm; para 15 dias, esto es 34.5 mm Note: En sistemas de riego superficial, la percolacion profunda es mucho mas alta que los requerimientos de lavado, asi unicamente lo anterior es utilizao en los calculos. Se supone que el exceso de agua fluyendo por el suelo como resultado de la percolación profunda se puede utilizar para lavado. En sitemas de aspersion, requerimientos de lavado pueden ser mas grandes que la percolacion profunda y puede ser usado en su lugar. Despreciando Requerimiento de Lavado, Total agua que ingresa a los drenes es igual a: 34.91 + 15.6 + 34.5 = 85.01 mm Esto es por 15 dias, desde que el intervalo de riego es 15 dias Coeficiente de Drenaje = 85.01/15 = 5.67 = 6 mm/dia.

5.4 Fórmulas de Regimen Permanente Para el régimen estático solamente vamos a estudiar 3 fórmulas

- Fórmula de Donnan - Formula de Hooghoudt - Fórmula de Ernst

5.4.1 Ecuacion de Donnan Este investigador para plantear establece las siguientes suposiciones: 1º Dice que la recarga es igual a la descarga, por lo tanto el nivel de la napa freática no varía a través del tiempo 2º Que el suelo es homogéneo desde la superficie hasta la capa impermeable 3º Los drenes son paralelos e infinitos 4º Que el suelo es horizontal hacia los drenes 5º Dice que la recarga es homogénea en toda el área


66

Figura 5.4: Flujo a drenes verticales alcanzando la capa impermeable

wydx

dykkiAqx ⋅== (1)

−⋅= xL

wRqR 2 (2)

Igualando (1) y (2)

−⋅=⋅ xL

wRwydx

dyk

2 ==>

−= xL

Rydx

dyk

2

∫∫

−=2/

00 2

LHx

LRydyK ==>

2/

0

2

0

2

222

LHxLx

Ry

K

−=

−=

−

8422

2222 LLR

DHK ==>

=

−

822

222 LR

DHK

R

DHK

L

822

22

2

−

=

2

22 )(4

L

DHKqR

−==

Esta ecuacion, que ha sido derivada por Hooghoudt en 1936, tambien es conocida como la ecuación de Donnan. Ejemplo Aplicativo Una zona húmeda será drenada con zanjas abiertas, donde debido a la recarga de 5 mm/dia la N.F. debe encontrarse como mínimo a 70 cm de profundidad, la capa impermeable se encuentran a 6.20 m de profundidad. La conductividad hidráulica es 1.2 m/día, las zanjas tendrán un ancho de plantilla de 50 cm y un talud de 1, profundidad de la zanja 1.40 m y el


67

tirante del agua a 0.20 m. Calcular el espaciamiento de drenes utilizando la fórmula de Donnan.

5.4.2 Fórmula de Hooghoudt El flujo real hacia los drenes puede ser reemplazado por un flujo completamente horizontal (idealizado) equivalente, para lo cual una profundidad De es introducida. Hooghoudt para establecer su fórmula considera lo siguiente: 1º Que el flujo es horizontal en una parte y radial cuando el flujo llega al dren 2º El suelo desde la superficie hasta la CI presenta 2 estratos, y los drenes están ubicados en la interfase de estos dos estratos. De la figura 8.2, se tiene que H – D = h y asi H + D = 2D + h, donde h es la altura del nivel freatico encima del nivel de agua en el dren. Subsecuentemente, la ecuación 8.3 cambia a:

R

hK

R

DhKL

2122 48 +=

L = Espaciamiento entre drenes en metros k2 = conductividad hidráulica del estrato que quede por debajo de la interfase h = altura de la N.F. en su punto medio respecto al nivel de los drenes en metros D = profundidad hasta la capa impermeable k1 = Conductividad hidráulica del estrato que queda sobre la interfase R = es la recarga en m/día


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Figura 5.5: Concepto de profundidad equivalente, d, para transformar una combinación de flujo horizontal y radial (A) a un flujo horizontal equivalente (B). Si el tubo o dren abierto no alcanza la capa impermeable, las lineas de flujo convergen hacia el dren no seran horizontales. Consecuentemente, las lineas de flujo son mas largas y perdida de carga adicional es requerido para tener mismo volumen de agua fluyendo hacia los drenes. Esta perdida de carga adicional resulta en un mas alto nivel freatico. Para seguir utilizando el concepto de flujo horizontal Hoogoudt (1940), introdujo dos simplificaciones.

• Asumio una capa impermeable imaginaria encima de una real, el cual disminuye el espesor de la capa a través del cual el agua fluye hacia los drenes.

• Reemplazo los drenes por zanjas imaginarias con sus fondos sobre la capa impermeable imaginaria.

Bajo estas suposiciones, podemos usar la ecuación 8.7, para expresar el flujo hacia los drenes, simplificado reemplazando la profundidad actual al estrato impermeable (D) con una profundidad equivalente mas pequeña (d). Esta profundidad equivalente (d) representa el estrato delgado imaginario de suelo a traves del cual la misma cantidad de agua fluira por unidad de tiempo como en la situación actual. La ecuación puede escribirse de la siguiente manera:

R

hK

R

hdKL

2122 48 +⋅=

En la aplicación de la fórmula de Hooghoudt se puede presentar los siguientes casos: 1º Si solo existe un estrato por sobre la capa impermeable ==> K1 = k2, la fórmula es la siguiente:

)2(42 hdR

khL +=

2º Si existen dos estratos hasta la capa impermeable y los drenes están ubicados en la interfase, se aplica la fórmula general. 3º Si existe dos estratos sobre la capa impermeable y los drenes están ubicados por debajo de la interfase, se puede aplicar la fórmula general pero los resultados no son tan confiables 4º Si existen dos estratos sobre la capa impermeable y los drenes están ubicados sobre la interfase se aplica la fórmula de Ernst y no la de Hoogoudt.


69

Para tuberías con ro=0.04 - 0.10m, u = 0.30 m* Figura 5.6: Nomograma para espaciamiento de drenes según formula de Hooghhoudt (Van Beers 1965)


70

Tabla 8.1 : Valores de profundidad equivalente d de Hooghoudt para ro=0.1m. D y L, en m (1940)


71

Ejemplo Aplicativo.- Se tiene una zona con la N.F. cerca de la superficie del suelo en donde se hicieron algunas investigaciones de campo encontrando la siguiente información: Conductividad hidráulica de la capa superior k1 = 0.5 m/día, la k de la capa inferior k2 = 1 m/dia, recarga R = 5 mm/día, profundidad de raices del cultivo Pr = 100 cm, profundidad de la capa impermeable 4.8 m, interfase entre las dos capas se encuentra a 1.8 m la norma de drenaje nos indica que la N.F. debe ser como máximo 1.20 m de profundidad. El sistema contará de 20 cm de diametro instalado a una profundidad de 1.80 m. Calcular el espaciamiento del sistema de drenaje.

Otras Soluciones para la Ecuación de Hooghoudt: Un alcance mas reciente para resolver esta formula es la propuesta por Van der Molen y Wesseling (1991) el cual puede fácilmente implementarse en una hoja electronica o en un programa de computadora. Una variable auxiliar es definida como:

(10)

Para x > 0.5 la convergencia es rapida para la siguiente serie: (11)

L

Dx

π2=

[ ]∑∞

= −−−−−−=

1 ))24(exp(1)12(

))24(exp(4)(

n xnn

xnxF


72

La suma total puede ser parada en n=10 para una solucion precisa. Para x < 0.5 la convergencia es mas lenta y mas terminos son necesarios. Sin embargo la aproximación de Dagan puede reemplazar la ecuación 11 con suficiente precision:

+=π

π2

ln4

)(2 x

xxF (12)

La profundidad equivalente es calculada por:

+

⋅

=)(ln8 xF

r

L

Ld

π

π (13)

Dos suposiciones en la cual Hooghoudt basa su teoria todavía no han sido mencionadas, ellos son:

- Los drenes corren medio llenos - Los drenes no tienen resistencia en la entrada

r es el radio de entrada de humedad. A menudo, la anchura de la zanja, en lugar de los 3,14 veces el diámetro de la tubería se toma como entrada el perímetro mojado. Estas suposiciones implican que el area de entrada, u, igual a el perímetro mojado de semicírculo (el r⋅π en la ecuación 13), asi que

πu

r = (14)

Donde : r = el radio del dren (m) u = el perímetro mojado (m) Un valor tipico es por consiguiente u = 0.4 m o radio equivalente 0.4/π. Ademas el material envolvente debera ser tomado en cuenta y ampliar el perímetro. Para drenes abiertos, el radio equivalente (r) puede ser calculada sustituyendo el perímetro mojado de los drenes abiertos para u en la ecuación 14. Para drenes tubería colocado en zanjas, el perímetro mojado es tomado como rbu ⋅+= 2 (15) La ecuación de Hooghoudt es derivada para un suelo homogeneo. Si el suelo tiene dos capas para el cual la frontera entre los dos coinciden con el dren, Hooghoudt aun puede usarse. En otros casos la ecuación de Ernst debera ser usado. Ejercicio : Calcular espaciamiento con el uso de hoja de calculo Excel o similares.


73

5.4.3 Fórmula de Ernst Ernst para plantear su fórmula establece que entre la superficie del suelo y la capa impermeable existen varios estratos y por lo tanto sus conductividades hidráulicas son diferentes; también establece que el flujo hacia los drenes tienen 3 componentes; Componente horizontal, vertical y radial; el suelo ofrece una resistencia a cada una de estas componentes, por lo que la carga hidráulica h está en función de la resistencia vertical, es la resistencia horizontal y la resistencia radial. ==> H = hv + hh +hr (8.17)

Figura 8.6 Geometria de flujo bi-dimensional hacia drenes, según Ernst. Flujo Vertical Flujo Vertical es asumido a tomar lugra en la capa entre el nivel freatico y el nivel del dren (Figura 8.6). Podemos obtener la perdida de carga causada por este flujo vertical aplicando la ley de Darcy.

v

vv D

hKq =

v

vv K

Dqh = (8.18)

Donde: Dv = espesor de la capa en el cual es considerado el flujo vertical (m)

Kv = conductividad hidraulica vertical (m/d) Como la conductividad hidraulica vertical es dificil de medir bajo condiciones de campo, esto es a menudo reemplazado por la conductividad hidraulica horizontal, el cual es bastante facil medir con el metodo del auger-hole. En principio, esto no es correcto, especialmente no en suelos aluviales donde hay grandes diferencias entre conductividad hidraulica horizontal y vertical puede ocurrir. La perdida de carga vertical, sin embargo, es generalmente pequeña comparada con las perdidas de carga horizontal y radial, asi el error introducido por reemplazo de Kv con Kh puede ser despreciado.


74

Flujo horizontal El flujo horizontal es asumido a tomar lugar debajo del nivel del dren (Figura 8.6). Analogo a la ecuacion 8.6, la perdida de carga horizontal hh puede ser descrita por

∑

=h

h KD

Lqh

)(8

2

(8.19)

Donde ∑ hKD)( = transmisibidad de las capas de suelo a través del cual el agua fluye

horizontalmente (m2/d). Si el estrato impermeable esta muy profundo, el valor de ∑ hKD)( se incrementa al

infinito y consecuentemente la perdida de carga horizontal disminuye a cero. Para prevenir esto, el máximo espesor del es debajo del nivel del dren a través del cual el flujo es considerado hKD es restringido a ¼L.

Flujo Radial El flujo radial es tambien asumido a tomar lugar debajo del nivel del dren (Figura 8.6). La perdida de carga causada por el flujo radial puede ser expresada como:

u

aD

K

Lqh r

rr ln

π= (8.20)

Donde: Kr = conductividad hidráulica radial (m/d) a = factor de geometría de la resistencia radial (-) Dr = espesor de la capa en el cual el flujo radial es considerado (m) u = perímetro mojado del dren (m) Esta ecuacion tiene la misma restriccion para la profundidad de la capa impermeable como la ecuacion para el flujo horizontal (i.e. Dr < ¼L). El factor de geometria (a) depende del perfil del suelo y la posicion del dren. En un perfil de suelo homogeneo, el factor de geometria es igual a uno; en un suelo estratificado, el factor de geometria depende de si los drenes estan en la parte superior o inferior del estrato de suelo. Si los drenes esta en la parte inferior del estrato, el flujo radial se asume a estar restringido a esta capa, y otra vez a=1. Si los drenes estan en la parte superior del estrato, el valor de a depende de la relacion de las conductividades hidraulicas del estrado de fondo (Kb) y superior (Kt). Usando el metodo de relajacion, Ernst (1962) distinguió las siguientes situaciones:

Estas expresiones para, respectivamente, el flujo vertical (Ecuacion 8.18), el flujo horizontal (Ecuacion 8.19), y el flujo radial (Ecuacion 8.20) pueden ahora ser sustituidas en la ecuacion 8.17.


75

u

aD

K

Lq

KD

Lq

K

Dqh r

rhv

v ln)(8

2

π++=

∑

ó

++=

∑ u

aD

K

L

KD

L

K

Dqh r

rhv

v ln)(8

2

π (8.21)

Esta ecuacion es generalmente conocida como la ecuacion de Ernst. Si la descarga de diseño (q) y la carga hidraulica total disponible (h) son conocidas, esta ecuacion cuadrática para el espaciamiento (L) puede ser resuelta directamente. Tabla 8.2: Factor de geometría (a) obtenido por el método de relajación (según Van Beers 1979)

Ejemplo 8.4 Un area tiene un perfil de suelo consistente de dos estratos distintos. Drenes de tubería con un diámetro de 0.1m serán instalados en el estrato superior, 1.0m encima la interface entre los dos estratos (fig 8.11). tenemos los siguientes datos:

It is a two-layered soi profile y los drenes no son instalados en la interface de los estratos, asi que tenemos que aplicar la ecuacion de Ernst. Como los drenes estan situados en el estrato de suelo superior, podemos usar la ecuación 8.23 para calcular el espacimiento de drenes. Sabemos que:


76

Figura 8.11: Calculo de espaciamiento de drenes en un perfil de suelo de dos estratos con los drenes en el estrato superior


77

Casos donde se puede aplicar la formula de Ernst 1º Para suelo homogéneo

µπDr

RRR lnk

L

D8k

L

kv

Dh

v1h

2v ++=

para suelo homogéneo a = 1

2º Para suelos estratificados Hay que tener en cuenta las siguientes Sub casos:

- Cuando los drenes están ubicados por debajo de la interfase


78

- Cuando los drenes están ubicados en la interfase - Cuando los drenes están ubicados por sobre la interfase

1.- Cuando los drenes están ubicados por debajo de la interfase

* Dr = 2D1

* D2 < L/4

µπDr

RRR lnk

L

)DkD8(k

L

k

2D-h

k

2Dh

22211

2

2

1

1

1 ++

+

+=

- Cuando K1 < k2 la resistencia vertical es el segundo estrato o sea 2

1

k

2D-h

puede despreciarse - D1 es menor que D2 el producto K1D1 = 0

Por lo tanto

µπDr

RRR lnk

L

)D8(k

L

k

2Dh

222

2

1

1 ++

=

2.- Drenes al límite de los estratos o Interfase


79

En este caso hay que distinguir 3 subcasos - K1 << K2 << = mucho menor

µπDr

RRR lnk

L

)DkD8(k

L

k

2Dh

22211

2

1

1 ++

+=

- K1 >< K2

µπDr

RRR lnk

L

D8k

L

k

2Dh

222

2

1

1 ++=

- Cuando K1 >> K2 para determinar b si utiliza la fórmula de hooghoudt

3.- Drenes ubicados en el estrato superior o encima de la interfase hay que distinguir los siguientes casos: - K1 > K2

µπDr

RRR4

lnk

L

)DkD8(k

L

k

Dh

12211

2

1

v ++

+=

- 0.1K1 < k2 < 20 k1

µπ

aDrRRR ln

k

L

)DkD8(k

L

k

Dh

12211

2

1

v ++

+=

- 0.1K1 < k2 (se considera suelo homogéneo)

µπ

1

111

2

1

v lnk

L

D8k

L

k

Dh

DRRR ++=

Ejercicio Aplicativo.- En una extrema área irrigada se ha encontrado problemas de comportamiento que ha causado una progresiva disminución en la productividad


80

agrícola. Esta zona durante la época de riego dispone de abundante agua desde el 1º de enero hasta el 31 de mayo, la precipitación pluvial en la zona es 36 mm/año, el riego es por surcos donde la aplicación son a intervalos frecuentes y abundantes. El módulo de riego es 15000 m3/ha/año, las pérdidas por escorrentía superficial se estima 10% del agua total aplicada, la eficiencia de aplicación es de 50%, las investigaciones sobre suelo nos dá la siguiente información.

Profundidad (cm)

Textura K (m/día)

0 – 50 50 – 190 190 – 680 680 - mas

Arenoso Franco arcilloso Franco arenoso Limo compacto C.I. a 6.80 m

5 0.4 0.8 0.001

En épocas de riego la N.F. se encuentra a 50 cm de profundidad. Pero se

considera que para tener una buena producción y evitar la salinización del suelo, la N.F. debe mantenerse a 1 m de profundidad en época de riego y 1.90 durante el resto del año. ¿Calcular el espaciamiento de drenes subterráneos considerando tubos de 20 cm de diámetro y zanjas de 30 cm de plantilla.

Solución:

Ejercicio Aplicativo.- En zona bajo riego la N.F. inmediatamente después del riego se encuentra a 50 cm de profundidad. La condición para mantener el cultivo en óptimas condiciones la N.F. después de 3 días de riego debe estar a 1 m de profundidad. Calcular el espaciamiento del sistema de drenaje parcelario y el caudal que debe evacuar el canal de drenaje a 3 días después del riego y a 1 días después del riego, profundidad de la C.I.=6.8m, profundidad de instalación de drenes 1.8, la porosidad drenable = 0.05, K = 0.80 m/día, diámetro de tubería externo = 20m

5.4.4 Discusion de las Ecuaciones de Regimen Permanente Algo debe quedar claro de los temas tratados, cuando estamos seleccionando la mas apropiada ecuación en régimen permanente, dos factores importantes a ser considerados son el perfil y posicion relativa de los drenes en el perfil. En esta seccion, podemos discutir algunos de las más comunes situaciones de campo y seleccionar la ecuacion apropiada para cada uno de los mismos. Los resultados estan resumidos en la figura 8.7. En todos los casos, el limite mas inferior esta formado por un estrato impermeable. Suelos Homogeneos Para un suelo homogeneo, la posicion del dren determina cual ecuacion debera utilizarse:


81

Figura 8.7 : Resumen de las ecuaciones de Regimen Permanente

5.5 Ecuaciones de Regimen No Permanente El enfoque de regimen permanente unicamente describe una simplificada, relacion constante entre el nivel freatico y la descarga. En realidad, la recarga al nivel freatico varia con el tiempo, y consecuentemente el flujo de agua subterranea hacia los drenes no es permanente. Para describir la fluctuacion del nivel freatico como una funcion del tiempo, usamos la aproximacion de estado no permanente. Las ecuaciones de regimen no permanente estan basadas en las ecuaciones diferenciales para flujo no permanente. Tanto el enfoque no permanente y permanente estan basados en las mismas suposiciones Dupuit-Forchheimer. La diferencia unicamente es la recarga, el cual en el enfoque no permanente varia con el tiempo. La ecuación Glover-Dumm es usada para describir una caida del nivel freatico después de su repentino ascenso debido a una recarga


82

instantanea. Esta es una tipica situación en areas irrigadas donde el nivel freatico a menudo asciende bruscamente durante la aplicación de agua de riego y que se retira mas lentamente. La ecuacion De Zeeuw-Hellinga (Section 8.3.2) es usada para describir un nivel freatico fluctuante. En este enfoque, una recarga no uniforme es dividida en periodos de tiempo cortos en el cual la recarga al agua subterranea puede ser asumida constante. Esta es la tipica situacion para areas humedas con alta intensidad de precipitacion concentrada en tormentas discretas.

5.5.1 Ecuacion de Glover-Dumm

En el caso de flujo no permanente (o transiente), el caudal no es constante, pero cambios con el tiempo como agua es almacenado o liberado desde el suelo. El cambio en el almacenamiento es reflejado tanto en una ascenso o caida del nivel freatico. Otra vez la aproximacióon de Dupuit-Forchheimer puede ser usada para derivar una ecuacion diferencial de flujo no permanente. Analogo a temas anteriores, consideramos una columna de suelo el cual esta limitado por el nivel freatico en la parte superior y una capa impermeable en el fondo. Si no hay recarga a las aguas subterraneas el cambio en el almacenamiento en el perfil del suelo esta dado por (Figura 8.12): dydxhW ⋅⋅∆⋅=∆ µ (8.24) Donde

∆W = cambio en el almacenamiento de agua por unidad de area superficial sobre el tiempo considerado (m)

µ = espacio poro drenable (-) ∆h = cambio en el nivel del nivel freatico sobre el tiempo considerado (m)

El cambio en el almacenamiento considerado sobre un infinitamente pequeño periodo de tiempo, dt, es

dydxt

hdW ⋅⋅

∂∂⋅= µ (8.25)

El principio de continuidad no requiere que la diferencia total de outgoing minus incoming flor en las direcciones x e y es igual al cambio en el almacenamiento. Hence la ecuación de continuidad puede ser escrita como

dydxt

hdydx

y

hh

yx

hh

xK ⋅⋅

∂∂⋅=⋅

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂− µ (8.26)


83

Figura 8.12 : Cambio en almacenamiento en una columna de suelo bajo un descenso del nivel freatico. Podemos simplificar esta ecuacion considerando que h sera grande comparado con los cambios en h; asi podemos tomar h como una constante D, siendo el espesor promedio de la capa de transmision de agua. Furthermore, como consideramos unicamente flujo en una direccion, la ecuación 8.26 da la siguiente ecuación diferencial para flujo no permanente.

t

h

x

hKD

∂∂⋅=

∂∂ µ

2

2

(8.27)

Dumm (1954) uso esta ecuación diferencial para describir la caida del nivel freatico después que este asciente instantáneamente a una altura h0 encima del nivel del dren (Figura 8.13). Su solucion, el cual esta basada en una formula desarrollada por Glover, describe el descenso de un nivel freatico horizontal inicialmente como una funcion del tiempo, lugar, espaciamiento de dren, y propiedades del suelo.

L

xne

n

htxh tn

n

⋅⋅= −∞

=∑

ππ

α sin14

),(2

5,3,1

0 (8.28)


84

Figura 8.13: Condiciones de borde para la ecuación de Glover-Dumm con un nivel freático inicialmente horizontal. donde

2

2

L

dK

⋅⋅=

µπα (8.29)

donde h(x,t) = altura del nivel freatico en la distancia x en el tiempo t (m) h0 = altura inicial del nivel freatico en t = 0 (m) α = factor de reaccion (d-1) K = conductividad hidraulica (m/d) d = profundidad equivalente de la capa de suelo debajo del nivel del dren (m) µ = espacio de poros drenable (-) L = espaciamiento de drenes (m) t = tiempo después de ascenso instantaneo del nivel freatico (d) Podemos encontrar la altura del nivel freatico al medio entre los drenes sustituyendo x =L/2, en la ecuación 8.28.

tn

nt e

nhLxhh α

π2

5,3,10

1421 −

∞

=∑ ⋅=

== (8.30)

Donde ht = altura del nivel freatico al medio entre los drenes en t > 0 (m)


85

5.5.2 Ecuacion de De Zeeuw-Hellinga Para simular la descarga de drenes en un periodo con distribucion no uniforme de la recarga, el periodo es dividido en intervalos de tiempo iguales (ej. Dias). De Zeeuw y


86

Hellinga (1958) encontraron que, si la recarga (R) en cada periodo de tiempo es asumido ser constante, el cambio en la descarga del dren es proporcional al exceso de recarga (R - q), la constante de proporcionalidad es el factor de reacción α.

5.5.3 Discusión de las Ecuaciones de Régimen No Permanente A primera vista, el enfoque en estado No Permanente ofrece ventajas importantes en comparación con el enfoque en estado estacionario, pero varios supuestos restringen el uso de las ecuaciones de estado no permanente. En primer lugar, tanto la de Glover-Dumm y la ecuación de De Zeeuw Hellinga-sólo se puede aplicar en el suelo con un perfil homogéneo. En segundo lugar, el flujo en la región por encima de los drenes no se tiene en cuenta. Cuando la profundidad del nivel freático por encima del dren (h) es grande comparado con la profundidad a la capa impermeable (D), un error puede ser introducido. De lejos la mayor restricción, sin embargo, es la introducción de la porosidad drenable en las ecuaciones. Aparte del hecho de que esta propiedad del suelo es muy difícil de medir, sino que también varía espacialmente (Capítulo 2). Por lo tanto, la introducción de un valor constante para el espacio poroso drenable podría dar lugar a errores considerables. Como consecuencia, las ecuaciones de estado no estacionario casi


87

nunca se utilizan directamente en el diseño de sistemas de drenaje subterráneo, pero sólo en combinación con las ecuaciones de estado estable. (Los beneficios de este enfoque combinado se discutirá en la sección 8.4). Sin embargo, las ecuaciones en estado no permanente son herramientas útiles cuando uno está estudiando la variación en el tiempo de parámetros tales como la elevación de la napa freática, y descargas de drenaje como consecuencia de la lluvia o el riego.

5.5.4 Ejemplos de Aplicación en Flujo No Permanente Similares a las ecuaciones de regimen permanente, las ecuaciones de regimen no permanente requieren datos sobre propiedades del suelo y criterios de diseño agrícola y tecnicos. La principal diferencia es que una propiedad de suelo adicional es requerida (i.e. el espacio de poro drenable) y que, en lugar de la relación q/h, una relacion abatimiento del nivel freatico ho/h es requerido. Ejemplo 8.5 En un area irrigada, un sistema de drenaje es necesario para el control del nivel freatico bajo las siguientes condiciones (Figura 8.14):

Figura 8.14 : Calculo de espaciamiento de drenes bajo condicion no permanente Criterio de drenaje agrícola:

- La maxima altura permisible del nivel freatico es 1 m debajo de la superficie del suelo;

- Agua de riego es aplicada cada 10 dias, y la perdida de aplicación de campo por percolación al nivel freatico es 25 mm para cada riego

Criterio de diseño tecnico: - Los drenes son instalados a una profundidad de 1.80 m. - Tubos dren PVC con un radio de 0.10m son usados.

Datos del suelo: - La profundidad de la capa impermeable esta 9.5m debajo de la superficie del

suelo; - La conductividad hidráulica promedio del sueloes 1.0 m/d, y el espacio poro

drenable es 0.05.


88

Si asumimos que las pérdidas de aplicación de campo pueden ser considerados como una recarga instantánea, Ri = 0.025m, la ascensión del nivel freático es:

mR

h i 5.005.0

025.0 ===∆µ

Si asumimos que, despues del riego, el nivel freático ha subido a su altura máxima permitida, sabemos mh 80.00.180.10 =−=

El nivel freático deberá reducirse por 0,5 m durante los próximos 10 días. así mhhh 30.050.080.0010 =−=∆−=

Asi tenemos los siguientes datos

Ejemplo 8.6 En el area del Ejemplo 8.5, el sistema de drenaje ha sido instalado con un espaciamiento entre drenes de 90 m. Ahora queremos saber cómo reacciona el sistema de drenaje para un período con algunas lluvias intensas. La recarga de la napa freática después de la precipitación se da en la Tabla 8.3.. Si asumimos que el nivel freatico en el inicio del periodo lluvioso es 0.30 m encima del nivel del dren, podemos usar la ecuacion de De


89

Zeeuw-Hellinga para calcular las fluctuaciones del nivel freatico y la correspondiente descarga desde el sistema de drenaje. Tenemos los siguientes datos: K = 1.0 m/d µ = 0.05 L = 90 m d = 4.63 m h0 = 0.30 m Podemos caclular el factor de reaccion, α, y la descarga en el dia 0

Ecuación 8.29: 12

2

2

2

113.09005.0

63.40.1 −=×

××=⋅

⋅= dL

dK πµ

πα

Ecuación 8.6: dmL

hdKq /001.0

90

30.063.40.18822

0 =×××=⋅⋅=

Para los siguientes dias, podemos calcular el cambio del nivel freatico y la correspondiente descarga del dren con la ecuacion 8.38 y 8.39.


90


91

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Niv

el F

rea

tico

(m

)

Dias

Nivel Freatico

Figura 8: Fluctuación nivel freático observado y simulación De Zeeuw. Ejercicio: Determine los parametros fisicos dados observaciones de nivel freatico y datos meteorologicos.

5.6 Estimacion del Diámetro Completar (Villon 326)


92

5.7 Envolvente y Necesidades de Filtro

An envelope is porous material placed around a perforated pipe drain to perform one or more of the following functions (Smedena, 2004):

• Filter function: to provide mechanical support or restraint of the soil, at the drain interface with the soil, to prevent or limit the movement of soil particles into the drain pipe where they may settle and eventually clog the pipe. Initially some fines and colloidal material may pass through the envelope into the drain. When, after construction, the soil-envelope combination has stabilised, a limited flow of clay and other suspended particles, which are expected to remain in suspension in the drained water and leave the drain, is acceptable. The filter function may be temporary i.e., long enough to allow the disturbed soil to stabilise (organic envelopes have been used successfully for this purpose in The Netherlands)

• Hydraulic function: to provide a porous medium of relatively high permeability around the pipe to reduce entrance resistance at or near the drain openings

• Mechanical function6: to provide passive mechanical support to the pipe in order to prevent excess deflection and damage to the pipe due to soil load

• Bedding function6: to provide a stable base to support the pipe in order to prevent vertical displacement due to soil load during and after construction.

5.7.1 Necesidad de Envolvente

The decision about the need for a drain envelope in a particular soil can be based on local experience or on empirical relationships between measurable soil properties. Soils in temperate humid areas, unless they are sand, generally have a strong soil structural strength and drains can be installed in such soils without envelopes. Soils with a high clay and/or organic matter content also have higher structural strength. Simple correlation of soil structural strength with organic matter content or clay content have not been conclusive in determining whether drain envelopes will be

6 Can only be achieved with gravel and sand envelopes.

needed for a particular soil, but this information, coupled with local experience, can give dependable predictions. For soil conditions found in The Netherlands, van Zeijts (1992) developed relationships between clay and silt contents of soils and the need for a drain envelope, as well as the appropriateness of envelope types (organic, synthetic, thin or voluminous) for certain soil types (Table 4.1).


93

Table 4.1 Recommendations on the use of the drain envelopes in The Netherlands based on soil type (Vlotman et al. 2000)

Soil Envelopes1

Type based on percentage clay and silt particles2

Geological formation

Remarks Characteristics related to envelopes3

Function Material

Gravel Voluminous4 Thin5

Organic Synthetic

thickness: 100 mm

4–7 mm

3–10 mm <1 mm

O907: N/A. 650 µm 650–

1750 µm 200–400 µm

>25% clay Alluvial; marine/ fluvial

Ripe Stable; high K − No envelope necessary

Unripe Stable; low K Hydraulic (temp.1)

+ + + −

>25% clay6 Alluvial; marine/ fluvial

Ripe Unstable; high K

Filter + − + +

Unripe Unstable; low K Filter and hydraulic

+ − + −

<25% clay <10% silt

Marine d50< 120µm

Unstable; high K

Filter + − + +

<25% clay <10% silt

Aeolian d50> 120µm

Initially unstable; high K

Filter (temp.)

+ + + +

<25% clay >10% silt

Aeolian, fluvial or (fluvio) glacial

Initially unstable; low k

Filter (temp.) and hydraulic

+ + + −

1 +=suitable; −=not suitable; temp.=temporary 2 textures in soil profile above drain level, clay particles are <2 µm and silt particles are 2–50 µm 3 high hydraulic conductivity. K≥0.25 m/day low K≤0.05 m/day 4 voluminous envelopes in The Netherlands are primarily pre-wrapped loose coconut or synthetic fibres 5 only suitable if there is no risk of biochemical clogging (ochre/iron primarily) 6 at drain level >25% but lighter layers with <25% clay in soil profile above drain level 7 the O90 is the size of the envelope material opening at which 90% of the openings are smaller

Soils of the (semi) arid tropics are generally less stable, so clay content alone is not a good indicator of soil strength and stability. A parameter called Hydraulic Failure Gradient, HFG, has been developed to determine the resistance of soils to flowing water. The expected inflow to the drains and the area of openings in the drains can be used to calculate the exit gradient (related to the velocity of water in the soil) of water entering the drain openings for the case where there is no envelope. If the exit gradient (ix) exceeds the hydraulic failure gradient of the soil, an envelope is needed. The Plasticity Index (PI, see section 18.6) and the saturated hydraulic conductivity (Ksat) of the soil are used in an empirical equation to determine the hydraulic failure gradient (Samani and Willardson 1986 in Vlotman et al. 2000):


94

HFG=e0.333−0.132K+1.07lnPI Eq. 4.2

where;

HFG=the Hydraulic Failure Gradient

K=the saturated hydraulic conductivity in m/d

PI=the Plasticity Index (see section 3.3 and 18.6)

e=the base of natural logarithm (2.7183)

The exit gradient is determined from the Hooghoudt equation (Eq. 7.7) solving for the maximum expected discharge (Qmax) as a function of the hydraulic conductivity of the soil (Ks), the maximum midpoint water table height above drain level (h=W, see Figure 7.5), and the drain spacing. Based on Darcy’s Law the discharge per unit length of the drain becomes:

Eq. 4.3

and the exit gradient can be determined from:

Eq. 4.4

where;

Qmax=the maximum possible discharge under free flow conditions in the drain pipe, m3/d

qmax=the maximum possible discharge per unit length, m2/d

Ksat=the saturated hydraulic conductivity at drain depth i.e., immediately adjacent to the pipe-envelope interface, m/d

Apu=the actual area of inflow into the drain pipe in m2/m. Only the bottom half of the drain pipe is assumed to contribute. So Apu=½Ap which is the actual wetted area of inflow as a function of drain radius. See Figure 4.8 and Box 4.1 for actual values and suggested porosity value of synthetic materials. To calculate the exit gradient at the envelope soil interface replace Apu with the appropriate value of the selected envelope material.

Darcy’s Law is only valid for laminar flow conditions. When the flow is turbulent or in transition between laminar and turbulent, head losses and exit gradients will be higher for the same discharge.

The stability of the soil may also be expressed by means of the coefficient of uniformity (Cu) of the soil gradation curve:


95

Eq. 4.5

where;

Cu=the coefficient of uniformity

dxx=the particle size at 60 and 10 percent passing (see Box 4.2 and Figure 4.9)

The coefficient of uniformity and the Plasticity Index are indicators of the tendency to siltation and with caution may be taken as an indicator of the need for an envelope (Table 4.2).

Figure 4.8 Exit gradients at pipe-envelope-soil interface Placing a properly designed envelope around the drain to protect the drain openings will also reduce exit gradients. Increasing the drain diameter and increasing the area of perforations are other alternatives for decreasing exit gradients. The soils that do not require a filtering envelope are: • Heavy clay soils (heavy clay soils can be defined as having a clay percentage > 60%

and hydraulic conductivities <0.1 m/d) • Clay soils with the percentage clay exceeding 25–30% in humid climates • Soils with a Plasticity Index (PI) greater than 12 • Soils with a Coefficient of Uniformity (Cu)>15 and • Coarse soils with 90% of the particle sizes larger than the maximum drain pipe

perforation width. Table 4.2 Coefficient of Uniformity or Plasticity Index as indicator of soil siltation tendency (FAO 1976 in Vlotman et al. 2000) Silting tendency Cu or PI

no tendency ≥15 >12

limited tendency 5–15 6–12

high tendency ≤5 <6


96

5.7.2 Seleccionde Material Based on the material used the following types of envelopes can be distinguished (for detailed specifications see sections 4.5.1 through 4.5.3): • Granular envelopes. Gravel or sand/gravel combinations • Organic envelopes. A wide range of organic materials have been used in the past,

including peat, top soil, sod, building paper, hay, straw, corn cobs, cloth, leather, wood chips, rice husks, etc. More recently, primarily wire coir or coconut fibre, have been used. Coconut fibres in combination with synthetic fibres are also used.

In Europe, Pre-wrapped Loose Material (PLM) is commonly used • Fabric envelopes. In recent years, wide ranges of (synthetic) fabric material have been

used as drain envelopes (besides limited use of natural fabrics; jute, cotton). These are the above-mentioned PLM envelopes with synthetic fibres only, thin knitted materials (also known as socks, or available as sheets), and a variety of non-woven materials, mostly thin to thick needle punched.

To select the type of envelope material a set of general conditions should be checked: • availability of materials, and hence the likely cost • expected function: hydraulic, filter, mechanical, bedding • loading on the pipe and envelope • handling characteristics during transport and transportation • danger of biochemical fouling (iron ochre) • ripening process of the soil • organic matter and pH of the soil • calcium carbonate content (of soil and granular envelope) and pH of the water • climatic conditions, and finally • required thickness as explained in the next section.

Box 4.2 Soil terminology Soil texture

Refers to the size distribution of the constituting soil particles, Three size classes are distinguished: clay (<2 µm), silt (2–50 µm) and sand (2000–50 µm). Sand may be subdivided (coarse, medium, fine); particles >2000 µm=2 mm are not soil but rock particles (gravel). On the basis of the size distribution, soils may be classified into textural classes (textural triangle,

Figure 18.3). Soil particle size

To determine the particle size distribution sieve analysis is performed (wet or dry sieving, see section 18.4). The material retained on the various sieves is calculated as the cumulative

percent passing and shown graphically in a semi-logarithmic plot (e.g., Figures 4.8, 18.3). Particle size is given as the d10, d15, d60, d85, d90, etc. The value represented by dxx is the diameter

of the particle for which xx% on dry weight basis has a smaller diameter. Soil bandwidth

Based on field investigations many soil particle size distribution curves will be available resulting in a wide band of soils on the semi-logarithmic particle size distribution plot. To select a representative bandwidth for drain envelope design, the 25 and 75 percent quartile values can be selected as representing the upper and lower boundary (Figure 4.8 and 18.4).

Soil structure Refers to the combination or aggregation of soil particles into aggregates or clusters (soil peds)


97

that are separated from each other by weak forces. For particle size determination aggregates need to be broken up.

Soil consistency This expresses the plasticity of the soil and as such its resistance to mechanical deformation and rupture. The state of plasticity of a soil is mostly determined by its clay and its moisture content and may be expressed by determining the Atterberg consistency limits. For drainage, the Lower Plastic Limit (LPL, see section 3.6) and the Plasticity Index (PI, see section 4.4.2)

are relevant.

5.7.3 Espesor de Envolvente

The thickness of a drain envelope is determined by the need to reduce the exit gradients to acceptable levels as mentioned in the foregoing section, and by practical matters related to construction. For instance, it is not possible to reliably construct a granular envelope surrounding a drain pipe to a uniform thickness of 3 cm. Hence, when granular material is used the thickness described in specifications is typically 7–10 cm.

The larger the circumference of the pipe and envelope material, the smaller the gradients that develop at the pipe-soil, the pipe-envelope, and the envelope-soil interfaces.

Assuming it has been decided that the exit gradient at the pipe-soil interface (ix) exceeds the Hydraulic Failure Gradient (HFG) implying that an envelope is needed. Adopting a thin envelope will reduce the exit gradient at the envelope-interface considerably simply because of the much larger open area (Figure 4.7, and Eq. 4.4). If the exit gradient at the envelope-soil interface (ienv) is less than the HFG use a thin envelope (thickness less than 5 mm), but if ienv>HFG determine the pipe plus envelope radius (renv) such that ienv≤HFG. If the resulting thickness7 is between 1 and 5 mm use a voluminous synthetic envelope, if the required thickness is >5 mm then synthetic materials may become too expensive and granular materials should be considered instead.

Table 4.3 Required thickness of drain envelopes

Description Min. thickness in

mm

Remarks

Vegetative material 150 ASAE EP260.4 (ASAE 1984) recommends use only for rigid pipes and not plastic which depends on lateral support provided by granular envelope

Pre-wrapped Loose Material (PLM):

CEN/TC 155 WI 1261, 1994

synthetic fibrous 3 Thickness determined according ISO 9863 or as in Annex B of this standard. Deviation no more than 25% from declared thickness by manufacturer. synthetic granular 8

organic fibrous 4


98

organic granular 8

Coconut fiber: NEN-7047, 1981 (Dutch Standard)

Type 750 g (mass>750 g/m2)

6 but not greater than 10×actual mass/750

Type 1000 g (mass>1000 g/m2)

8.5 but not greater than 13×actual mass/1000

It should be noted that the thickness of synthetic materials as reported by manufacturers is determined at a pressure of 2 kPa (ASTM D1599–88) to an accuracy of 0.02 mm, but that under actual field conditions the material will be even more compressed. The pressure of 2 kPa is approximately equivalent to 0.1 m of soil pressure. Compressibility factors depend on the type of material used but the most common ones for drains at 1 to 3 m depth are: nonwoven needle punched materials 0.7–0.58; for needle punched heat bonded and woven monofilament materials 0.94–0.9; and for woven slit film material 0.88–0.81 (Vlotman et al. 2000). The thickness of commonly used geotextiles is between 0.25 and 7.5 mm (or 10–300 mils, where 1 mil

7 The true thickness of the synthetic envelope at drain depth is the actual thickness as specified by the manufacturer times the compressibility factor.

=0.001 inch=0.0254 mm, see also Box 4.3). Besides the foregoing theoretical determination of the required envelope thickness various organisations prescribe minimum thickness for different materials (Table 4.3).

5.7.4 GUIA Y CRITERIO DE DISEÑO DE ENVOLVENTE

There are fifteen sets of criteria for the design of granular filters, drain envelopes, and twenty-one sets of criteria for the design of synthetic filters, drain envelopes. These are growing all the time. Vlotman et al. (2000) reviewed criteria and assessed which are applicable for the design of envelopes for agricultural drainage.

The standard notation used herein to refer to particle size of the base soil material and the envelope material will be dxx and Dxx respectively. The number following each letter (xx) is the percentage of the sample, by weight (cumulative percentage passing), that is finer than the d or D (in mm or µm) as determined by a sieve test (see section 18.6). To refer to the characteristic opening size of organic and synthetic envelopes the notation Oxx is used. Dopening indicates the opening size of perforations, or the characterising dimension, in the drain pipe.

5.7.4.1 ENVOLVENTE GRANULAR

Design of a granular (sand-gravel) filter for a drain envelope is different from the design of granular filters for hydraulic structures in that a drain envelope needs to simultaneously satisfy both the demand for the filtering function and the demand for a


99

high permeability. Table 4.4 shows the guidelines traditionally recommended by the United States Bureau of Reclamation (USBR) and the US Soil Conservation Service (SCS, renamed Natural Resources Conservation Service, NRCS). In 1988 the SCS upgraded their guidelines, taking into account the fact that more points along the particle size gradation curve needed to be considered for a smooth envelope gradation band for contractor specification purposes. However, the SCS criteria are intended primarily for filters to prevent internal erosion of the soil piping in embankments and the foundations of hydraulic structures. The USBR criteria were developed for similar purposes. Vlotman et al. (2000) took these criteria as well as insights obtained with agricultural drainage conditions in Pakistan and Egypt into account, and came up with revised guidelines specifically for granular drain envelope material (Table 4.4d).

It is assumed that from a pre-drainage soil investigation a base soil bandwidth for soils in need of a drain envelope has been determined (for details see section 18.6). The finer boundary of the base soil bandwidth will be used for the filter/retention criteria and the coarser boundary to satisfy the permeability or hydraulic criteria.

The criteria will result in control points on the Particle Size Distribution (PSD) curve through which the coarse and fine boundaries of a granular envelope bandwidth can be drawn (subscripts c and f mean coarse and fine boundary respectively in Table 4.4). Gradation curve guides and bandwidth guides determine the recommended shape of the curves. They are not criteria rather they are guidelines.

EJEMPLO DE DISEÑO DE ENVOLVENTE GRANULAR

Figure 4.9 shows two examples of how to determine the envelope gradation band for specifications from the bandwidth of soils that require drains to be constructed with an envelope. The first example is based on soils of the Fourth Drainage Project area near Faisalabad in Pakistan. The second example uses what is typically reported in the literature as the range of UK problem soils from a stability point of view.

From the graph the dxx values of the base soil (see Table 4.4d) can be found. With the guidelines the seven control points Dxx for the fine and coarse envelope material boundaries can be determined. Note that for some of the guidelines the coarse base soil boundary determines the fine envelope material boundary and vice versa.

Table 4.4 Existing and recommended guidelines for granular envelope design

literature as the range of UK problem soils from a stability point of view.

From the graph the dxx values of the base soil (see Table 4.4d) can be found. With the guidelines the seven control points Dxx for the fine and coarse envelope material boundaries can be determined. Note that for some of the guidelines the coarse base soil boundary determines the fine envelope material boundary and vice versa.


100

Table 4.4 Existing and recommended guidelines for granular envelope design


101

Figure 4.9 Sample designs of granular drain envelopes

In some cases there will be conflict with respect to the relative position of control points 4a, 4b and 5. This is caused by the conflicting objectives of high permeability and high filtering capability. For instance in both cases it was decided that guideline

4b should be more dominant, implying that in the Pakistan case a higher permeability was accepted in favour of a more practical envelope bandwidth and in the UK case a lower permeability than would follow from the hydraulic criterion (control point 4a). In particularly for the UK case, using control point 4a would have resulted in specifications that would have been hard to satisfy by the contractor. It remains the judgement of the


102

design engineer to decide the final shape of the envelope gradation band at the 15% passing. One may want to use some of the USBR and SCS criteria in Table 4.4 to see if this would result in a more acceptable gradation band at the 15% passing but bearing in mind that the main objective of those criteria is the filter function.

Granular material is either naturally available along side the upper reaches of rivers (River-Run material) or from other sources and is the most widely used, generally with good results. The use of crushed rock for granular envelope material has been quite acceptable in most cases, although it failed to function as a filter with subsurface drains in Pakistan. This was because of missing ranges of particle sizes and hence the envelope material was not well graded, and internal bridging amongst different particle sizes did not occur. Therefore, crushed materials are acceptable provided the following provisions are adhered to:

1. there should be no particles that are disproportionately larger in one direction by a factor >2 compared to the shortest dimension (long time requirement in specs coming from USBR and Corp of Engineers criteria and found to have merit; this prevents segregation during transport and large pore spaces)

2. a statistically satisfying number of samples should be analysed from the crushing plant with the full set of US standard sieves (twenty-one sieves) to see whether any particle ranges might be missing. The missing particle ranges are not apparent as gap-graded material in standard semi-log particle size distribution curves (Figure 18.3); histograms representing the results of the individual sieve sizes should be made to check for missing particle size ranges

3. the hydraulic conductivity of the crushed rock should be assessed in the laboratory with permeameters, and remain below 300 m/d (0.35 cm/s) to be acceptable.

The foregoing steps and control points should result in an envelope gradation band (bandwidth), with a high degree of successful application, on condition that the envelope material has been checked for missing particle sizes. Segregation during transport will also be minimal when a well graded envelope material has been selected. Granular envelope material should always be well graded within the fine and coarse boundaries of the gradation band specification. Nevertheless, segregation may occur during intermediate stockpiling of envelope material and operators should be instructed to prevent this while samples should be taken from the hopper for sieve analysis just before the envelope is placed.

5.7.4.2 ENVOLVENTES ORGANICOS

Design criteria for organic envelopes are limited. There are no standard procedures to determine permeability and characteristic opening sizes. It is generally assumed that the considerable thickness would compensate for the rather coarse structure of most organic materials and thus provide filtration. The permeability is generally much

higher than that of the surrounding soil and hence is not considered as a design parameter.


103

Besides the visual judgement of uniformity of the material, weight and thickness are the only two design parameters for pre-wrapped organic envelopes. Organic materials are usually voluminous with a minimum thickness of 4 mm at a load of 2 kPa. The mean average thickness depends on the material but shall not deviate by more than 25% of the thickness specified on the manufacturer’s label. Table 4.3 shows the thickness of various envelope materials as required by European and American Standards. Table 4.5 shows the mass required for flax straw and coconut fibres for materials delivered as strip or loose pre-wrapped material in Belgium and The Netherlands. Both weight and thickness ensure a proper functioning of the organic envelope.

Table 4.5 Guidelines for the required mass of organic material around drain pipes

Flax straw Coconut Fibres

strip pre-wrapped strip pre-wrapped

Nominal mass 2000 g/m2 1500 g/m2 1000 g/m2 750 g/m2

Minimal mass 1800 g/m2 1350 g/m2 900 g/m2 675 g/m2

5.7.4.3 ENVOLVENTE SINTETICO

There are currently more than twenty-two sets of criteria for geotextile filter design (Koerner 1994, Vlotman et al. 2000). The design criteria most appropriate for drain envelope design are shown in Table 4.6. There are four classes of criteria for the design of synthetic (fabric, geosynthetic, see Box 4.3 for explanation of some of the standard terms) envelopes: (1) the retention criteria, (2) the hydraulic criteria, (3) the requirement to avoid long-term clogging, and (4) mechanical and strength criteria.

As with granular envelopes the permeability and soil retention criteria are often in conflict with each other and it is up to the judgement of the designer to allow the most important ones to prevail. The criteria are applicable for all soils (sand and clay). Although the term criterion is used, all are guidelines based on practical experience and often with limited validity outside the conditions under which, or for which, they were developed.

Retention criteria. Essentially three types exist: (1) O90/d90 ratios; (2) O95/d85 ratios; and, (3) a range of ratios using O90, O50, O15 in combination with d15, d50 or d85. The third range of ratios have become more popular in recent years due to advances in the determination of Opening Size Distribution (OSD) curves of synthetic materials. The second series of ratios are common in the US and France but have one main disadvantage and that is the determination of the O95. European standards under development will recommend O90 as the characterising property for filtration by synthetic materials, because the O95 can vary considerably as it is generally located on the gentle sloping part of the semi-logarithmic OSD curve (implying that a small change vertically results in large changes in opening size). The type 1 ratios (O90/d90) seem to be the most practical criterion at present.


104

Hydraulic criteria. There are three criteria that are most frequently mentioned in the

literature: (1) Ke>0.1 Ks, (2) Ke>Ks, and (3) Ke>10 Ks. Criterion 1 has little or no safety built in. The others do to different degrees. For agricultural criteria, it would seem that criterion 3, which is similar to expectations with granular envelopes, is best applied to most field conditions.

Table 4.6 Selected existing criteria for geotextile filter design

Geotextile Soil Flow type Criteria Remarks

(a) Christopher and Holtz (1992) in Wilson-Fahmy et al. 1996

not specified d50<74 µm (sieve No 200) steady O95/d85≤B Federal Highway Admin. (FHwA)

2≤Cu≥8(1) B=1 Origin: USA

2<Cu≤4 B=0.5(2)

4<Cu<8 B=8/Cu

woven d50≥74 µm (sieve No 200) steady O95/d85≤1

non-woven d50≥74 µm (sieve No 200) steady O95/d85≤1.8

both d50≥74 µm (sieve No 200) steady O95≤300 µm (US standard sieve No. 50)

all materials all soils dynamic O95/d85≤0.5 incl. pulsating and cyclic(3)

(b) Dierickx (1992a, 1993a, 1994, 1996)

Origin: Belgium, Egypt, Pakistan

all materials criterion

- steady O90/d90>1 permeability

thin geotextiles (Tg≤1 mm)

- O90/d90<2.5 retention criterion

voluminous (Tg≥5 mm)

- O90/d90<5 retention criterion

O90>200 µm hydraulic criterion and anti clogging

(c) RECOMMENDED DESIGN CRITERIA (Vlotman et al. 2000)

Geotextile Flow type Criteria Remarks

thin geotextiles(5) (Tg≤1 mm)

- O90/d90<2.5 retention criterion

voluminous (Tg≥5 mm)

- O90/d90<5 retention criterion

1≤Tg≤5 - interpolate between O90/d90=2.5 and 5

- O90>200 µm hydraulic & anti-clogging criterion

dynamic & steady

Ke≥a Ks hydraulic criterion where a=0.1 no safety,

a=1 for non critical conditions(4), and

a=10 for reverse flow conditions

- O90/d90>1 anti clogging criterion


105

- O90>100–200 µm

for mechanical strength and other criteria see Vlotman et al. (2002, Box 13).

NB For detailed references see Vlotman et al. 2000. (1) There is some confusion in the literature whether it should be 1<Cu<2 (Williams and Luettich 1990) or 2≥Cu≥8 (Wilson-Fahmy et al. 1996) (2) Williams and Luettich 1990 report B=0.5 Cu (3) Christopher and Holtz (1989) presented slightly different criteria for dynamic soils which must have been superseded by the 1992 reference: if soil can move beneath geotextile O95/d15≤1 or O50/d85≤0.5 (4) A non-critical condition is where flow is steady and in one direction only (no reverse flow) (5) The true thickness is actual uncompressed thickness or thickness at 2 kPa times compressibility factor (see section 4.4.2.

Anti-clogging. Clogging is a decrease of permeability in the long-term of synthetic fabrics by particles of the base soil. This is different from blocking of synthetic envelopes, which is the immediate and near total loss of permeability of the envelope by a layer of fine particles (commonly caused when smearing under wet construction conditions takes place). Dierickx (Table 4.6) proposed to use O90>200 µm as a guideline both from the hydraulic as well as the anti-clogging point of view. His criterion is to prevent clogging of the fabric itself. Christopher and Holtz remark that when Cu>3 use O95>3d15 and when Cu<3 use the maximum opening size allowed from the retention criteria (for Cu see Eq 4.5).

Box 4.3 Common terms used with synthetic and geotextiles applications in civil engineering

Geosynthetic materials manufactured from various types of polymers used to enhance, augment and make possible cost effective environmental, transportation and geotechnical engineering construction projects, They are used to provide one or more of the following functions; separation; reinforcement; filtration; drainage; liquid barrier,

Geotextiles flexible, textile-like fabrics of controlled permeability used to provide all of the above functions, except liquid barrier, in soil, rock and waste materials, Natural fibre geotextiles (e.g., jute, etc.) are also considered to fall within the geotextile classification,

Geomembranes essentially impermeable polymeric sheets used as barriers for liquid or solid waste containment.

mil a measure to indicate the thickness of the fabric. 1 mil=0.001 inch= 0.0254 mm.

dtex, tex the weight of a 10000 m length of fibre in grams. tex is weight per 1000 m. The d is for deci.

Dernier the weight in grams of 9000 m of a single fibre. Mixtures of fibres of different dernier are used to create desired characteristic opening sizes (COS). It gives the fibre size of woven materials.

COS Characteristic Opening Size The COS is subject to many definitions: AOS, EOS, FOS, O90, O95, O98 see Vlotman et al. 2000,


106

Mechanical strength properties are important for handling and installation. Drain pipes wrapped with geotextiles are sometimes exposed to natural weathering and chemical deterioration, which may affect their functioning. Therefore, information on the following properties of geotextiles, used as envelopes for drain pipes, are needed: thickness and mass per unit area; strength of the material (tensile-, grab-); strength of the joints (seam strength); static puncture resistance; compressibility; abrasion resistance; and, resistance to material deterioration. For sample specifications see Koerner (1994) and Vlotman et al. (2000).

From the foregoing, it is clear that there are a plethora of guidelines as well as criteria. For agricultural drainage conditions Vlotman et al. (2000) found the criteria in Table 4.6c the most practical.

EXAMPLE OF SYNTHETIC ENVELOPE DESIGN

From the base soil bandwidth for Pakistan and the UK (Figure 4.9) find that for Pakistan the d90 varies between 0.08 and 0.4 mm or 80–400 µm. The UK soil ranges between 93 and 290 µm. It is common to express characteristic opening sizes of geotextiles in µm, or ‘microns’. Manufacturers publish specifications for geotextiles, e.g., the annual Specifier’s Guide of the journal Geotechnical Fabrics Report, Engineer’s Guide to Geosynthetics publishes the Characteristic Opening Size (AOS) which is the O90.

Suppose from the thickness determination (see section 4.4.2), it was found that the envelope should be Tg>4 mm and that there is a ready supply available of nonwoven thick geotextiles. With compression taken into account, the material should have a thickness range of 4/0.58 to 4/0.7 or 6.9–5.7 mm. Manufacturers often specify thickness in mils (Box 4.3): the material should be between 225 and 270 mils.

Next, check the characteristic opening requirement, AOS or O90. From Table 4.6c it follows that for Tg=4 mm the O90/d90 ratio should be less than 4.3 and greater than 1. For the Pakistan soil the O90 should range between 80–345 µm for the fine soil boundary and 400–1720 µm for the coarse soil boundary. In addition to prevent clogging O90>200 µm is recommended. Hence, consider materials that have a characteristic opening size of 300–1800 µm assuming that due to compression the actual opening size will be somewhat less (a reduction of 10% was found to be typical for non-woven needle punched materials when thickness was reduced under pressure by 50%). Similar consideration for the UK soil bandwidth would result in O90 between 300 and 1300 µm.

The permeability of the material should be considered as well. Manufacturers sometimes report permittivity and transmissivity values. Permittivity is permeability normal to the plane and values of 0.02–2.2 s−1 without a load (pressure) are typical. Permeability or hydraulic conductivity is obtained by multiplying permittivity by the material thickness Tg resulting in a possible range of 0.0005–1.1 cm/s (Tg=0.25 mm− 5 mm). For woven heat bonded non-woven materials the reduction of permeability under load is slight, while for nonwoven needle punched geotextiles it was slight to moderate; no actual data are reported (Koerner 1994). Transmissivity is the permeability in the plane of the material and is not relevant for agricultural drainage but is highly relevant for vertical drainage on large civil works. There are no strict guidelines (Table 4.6c) for


107

synthetic material permeability and common sense dictates that as long as the permeability of the material is greater than the surrounding saturated hydraulic conductivity of the soil, one should be alright.

Finally, various mechanical strength requirements should be considered. A material that can be torn apart with your hands is likely to deform during the pressure and stretching that occur during installation. Pre-wrapped drain pipes are likely to be lifted in the field by grabbing the envelope material; hence it should be strong enough. Sharp stones, roots, sticks, etc. that may be found in the sub-soil may puncture the material and hence puncture strength should be adequate. Also for the mechanical strength of the geotextiles there are no precise criteria, but some guidelines may be found in various government specifications that may or may not be founded on actual research and testing (see Koerner 1994 for geotextiles in general, Vlotman et al. 2000 for agricultural drainage application).

When there are uncertainties about the quality of the material, laboratory testing in permeameters is recommended and detailed instructions for this may be found in Vlotman et al. 2000.

5.8 Estructuras en Drenaje Subterraneo Most structures are of a simple type and occur mainly in the larger composite systems. Typical examples are shown in Figure 4.10. 4.6.1 SURFACE WATER INLETS Surface inlets are not often used for agricultural drainage, except perhaps the buried or blind inlet (sometimes also referred to as a French drain). Inlets by means of a grating or via a riser pipe are more commonly used in municipal park settings where incidental removal of surface water from localised areas is necessary. Provision of proper silt traps is essential for open inlets; an inlet located to the side of the drain line, providing a safeguard against poor maintenance, is preferred in this respect. 4.6.2 INSPECTION, JUNCTIONS AND CONTROL Inspection access and junctions are often combined in manholes. With the advent of controlled drainage various types of control mechanism are built in the manhole. Manholes are used in composite pipe drain systems to connect selected lateral pipes with the collector drain pipes. Most connections are made using blind junctions, which cannot be inspected after installation (Figure 4.4 and 4.5). In critical locations a combined junction/silt trap should be provided, with access for inspection, regulation (controlled drainage), and for cleaning the drain from time to time. This type of inspection chamber is expensive and so should only be used in vital locations, e.g., where the slope of a collector drain flattens out (liability to silting) or on long lengths of drain (every 250 m on long runs). Experience has shown that above ground inspection chambers are liable to be vandalised or damaged by farm implements and so there is an increasing tendency to install buried chambers with some marker (e.g., metal covers used in combination with a metal detector) to enable their location to be pinpointed


108

later. However, with renewed emphasis on farmer participation, farmer ownership and with governments wanting to transfer subsurface drainage systems to farmers and farmers organisations, more accessible and user friendly manholes should be considered when designing a system (see also Chapter 16). Maintenance considerations influencing the choice between different types of junctions are described in section 22.4.4. 4.6.3 CROSSINGS Subsurface drains often need to cross other channels, irrigation canals, roads and lines of trees (e.g., wind breaks). It is then often not desirable to have perforated pipes at these locations, because they may enhance seepage from the canal or cause surface water piping near outlets or lead to blockages by roots. Seepage from the pipes may also not be desirable when crossing or near civil works (e.g., roads). Either a non-perforated section should be installed, or the pipe should be inserted in a non-perforated pipe. At such crossings, it is also not desirable to continue with the envelope material as this may enhance flow along the blind pipe and encourage piping.

Figura 4.10: Estructuras en unsistema de drenes tubo


109

5.9 Modelamiento de Sistemas de Drenaje DRAINMOD es un bien conocido modelo computacional que ha sido desarrollado por R. W. Skaggs, de la North Carolina State University, Raleigh, Carolina del Norte USA; para simular el comportamiento de sistemas de manejo de nivel freático. La version 5.0 (Skaggs, 1998,) ha sido desarrollado para combinar DRAINMOD con el DRAINMOD-N y DRAINMOD-S. Los alcances del modelamiento es particularmente util si las alternativas de diseño están siendo evaluadas con un numero de objetivos (e.g. un sistema combinado de subirrigacion subdrenaje). Ejercicio: Simulacion con Drainmod.

Figura 10-45: Perfil del nivel freatico por infiltración desde un campo subirrigado. Existen varios otros modelos que son combinados en modelos de simulación y diseño tales como SWATRE, SALTMOD, SGMP, y DrainCAD. Estos modelos se convierten en poderosas herramientas en la evaluacion del comportamiento teorico de alternativas de diseño del drenaje. Se puede mencionar también el software ESPADREN desarrollado por M. Villon, que tienen algunas aplicaciones para drenes subterráneos y superficiales.


110

6. Drenaje Superficial

Estos sistemas estan convencionalmente referidos como un sistema de drenaje surface pero puede, en base a su funcionamiento, actualmente ser mejor referido como un sistema de drenaje shallow. They apply to land in which subsurface drainage systems cannot be used because of the inadequate infiltration or percolation characteristics of the upper soil layers and/or inadequate hydraulic conductivity in the substrata. This situation is typical in so-called heavy land. Representative examples are the basin clay soils of the alluvial deposits, the pseudo-gley soils of mid- and eastern Europe, the planosols of the semi-humid/semi-arid tropics, the vertisols of the semi-arid tropics (black cotton soils) and the glacial till soils, (boulder clays) covering much of northern America, United Kingdom and northern Europe. El perfil prevalecente caracteristico de estos suelos son mostrados esquematicamente en la Figura 5.1.

Estos drenes se utilizan principalmente en colectores y troncales mas no así en drenes parcelarios

6.1 Criterios de diseño 1. Ubicación.- Se ubica en la parte mas baja con la finalidad de tener mayor efecto

drenante; con la finalidad de obtener menor excavación en su construcción con la finalidad de tener mayor seguridad de drenaje.

- Se aprovecha al máximo los drenes existentes - Se trataran de que estos drenes dividan al terreno problema en partes mas o menos

iguales

2. Criterio de profundidad.- La cota del espejo de agua de un colector debe estar por debajo de la cota de la rasante de un dren afluente, así tenemos que la cota del espejo de agua de un dren colector debe estar por debajo por lo menos de 10 cm de la cota de la rasante de un dren parcelario.


111

3. Criterios de Talud.- El talud está en función de la textura del suelo, así tenemos los

siguientes taludes recomendados - Suelo de textura fina (buena cohesión) 0.75 – 2.00 - Suelo de textura arenosa 1.50 – 2.50 - Suelo de textura arenosa (arena fina) 2.00 – 4.00 - Suelo de Arena Gruesa 1.50 – 5.00 4. Criterio de Pendiente.- Generalmente la pendiente no se mantiene uniforme, varía

en función de la textura del suelo así tenemos las siguientes pendientes recomendadas.

- Suelo de textura gruesa Pendiente varía de 1 – 2% - Suelo de textura mediana Pendiente varía de 2 – 4% - Suelo de textura pesada Pendiente varía de 4 – 6% 5. Criterio de Velocidad - Para suelo de textura gruesa, la velocidad debe ser =< a 0.5 m/s - Para suelo de textura mediana, la velocidad debe ser =< a 0.75 m/s - Para suelo de textura pesada, la velocidad debe ser =< a 1.0 m/s 6. Criterio de Diseño hidráulico.- Se debe tener en cuenta los siguientes factores - La velocidad debe estar de acuerdo al tipo de suelo - La descarga normativa de drenaje - La necesidad de lavado del suelo

La velocidad: 2/13/22/13/21SkRSR

nV ==

Valores de k

- Para zanjas muy limpias k = 45 - 30 - Para zanjas limpias k = 35 - 20 - Para zanjas ligeramente vegetadas k = 25 - 15 - Para zanjas vegetadas k = 25 - 10 - Para zanjas muy vegetadas k = 15 – 20

Para construir los drenes se debe tener en cuenta los siguientes criterios: 1. Se debe construir los drenes cuando la N.F. esta baja, o sea cuando no hay presencia

de lluvia en la zona. 2. La construcción de drenes se debe hacer de abajo hacia arriba con la finalidad de

que el agua subterránea no obstaculice los trabajos


112

6.2 Estimación de la Descarga Normativa Es el caudal unitario que tiene que transportar un dren. A la descarga normativa también se le conoce con el nombre de coeficiente de drenaje, la descarga normativa en función del tipo de suelo es la siguiente: 1. Para suelos arenosos o franco arenosos que tienen una conductividad eléctrica

menos de 0.4 mmhos/cm, su descarga normativa es de 1 mm/dia que equivale a 0.12 lit/seg/ha.

2. Para suelos de textura arcillosa o textura limosa, con conductividad eléctrica de 1 mmhos/cm. Su descarga normativa es de 2.25 mm/día que equivale a 0.26 lit/seg/ha

El caudal de un dren colector o troncal se determina de la siguiente manera: Q = Cd*A

Donde: Q = caudal A = área Cd = Coeficiente de drenaje CD = es la cantidad de agua que puede ser removida por dia desde el area drenada.

Ejemplo: Se tiene un área de 20,000 Ha, calcular el caudal Solución:

Q = 20000ha*0.12 l/s/ha Q = 2,400.00 l/s

El Coeficiente de Drenaje (Cd) puede definirse como el exceso de agua que debe ser removido por unidad de tiempo, el cual generalmente se considera como 24 horas. Esta ecuación es valida para áreas pequeñas, pero a medida que aumenta el area de la cuenca de drenaje, el caudal producido, por unidad de area, disminuye por efecto del almacenamiento y pérdidas en la red colectora y el tiempo de concentración. En ese sentido el U.S. Soil Conservation Service (1973) han demostrado que esa disminución puede ser obtenida mediante una ecuación de la siguiente forma:

6/5ACQ ⋅=

Donde

Area Drenada = A (ha)

CD = mm/dia

Q=CD x A Descarga drenaje (ha-mm/dia) o l/s


113

Q = Caudal de Diseño (L3/T) A = Area (L2)

C = Coeficiente que depende del cultivo, precipitación y caracteristicas de la cuenca (L)

Esta formula es conocida como la formula de “Cypress Creek”. La ecuación para C adaptada al sistema metrico es:

EC 62.1573.4 += Donde E es la escorrentia total en centímetros, calculada por los metodos que se describen a continuación. La escorrentia E en la ecuación es dada para un tiempo de 24 horas; para otros tiempos E = (E x 24) / Td.

a) Metodo del balance hidrico diario b) Metodo del Soil Conservation Service

En ambos casos se requiere conocer - La precipitación de diseño (pp max 24 horas) - La capacidad de infiltración de los suelos 6.3 Tipos de drenes Superficiales Los Drenes deberán ser ubicados para adecuar la labranza u otras operaciones de uso de tierra y deberá tener capacidad para manejar la escorrentía y no causar daños de erosión. Algunos sistemas comunes de drenes se describen a continuación.

Figura 14–5 : Drenes aleatorios


114

Figura 14–6 : Drenes Superficiales paralelos


115

Figura 14–7: Reconstrucción sistema de drenes Transversal a la Pendiente (1) Sistema de Drenes Aleatorios Este tipo de sistema es adaptado a sistemas drenaje en tierras onduladas donde solo áreas húmedas dispersas requieren drenaje. Las zanjas deben ubicarse de manera que interceptan las depresiones y ofrecer la menor interferencia con las operaciones de cultivo (fig. 14–5). Las zanjas deberán ser superficiales y tener taludes planos lo suficiente para cruza equipo de labranza. Precisión de Conformación y Emparejamiento del terreno ayuda a asegurar la remoción de agua superficial de suelos menos permeables. (2) Sistema de Drenes Paralelo Este tipo de sistema es aplicable a tierras donde la topografía es plana y regular y donde drenaje uniforme es necesario. Las zanjas son establecidas paralelas pero no necesariamente equidistantes, como se muestra en la figura 14–6. La dirección de la pendiente del terreno


116

generalmente determina la dirección de las zanjas. Zanjas de campo (parcela) son generalmente perpendiculares a la pendiente, y laterales corren en la dirección de la pendiente. La ubicación de desviaciones, zanjas transversales, y vias de acceso para equipo de labranza pueden también influir la ubicacion del dren. Espaciamiento de las zanjas de campo dependen de la tolerancia al agua de cultivos, la conductividad hidraulica del suelo, y la uniformidad de la topografía. Conformación puede reducir el número de zanjas requerido por hacer la topografia mas uniforme. Donde sea posible, espaciamiento deberá ser ajustado para calzar el numero de pases del equipo de siege y cosecha. (3) Sistema de Drenes Transversal a la Pendiente Este sistema es usado para drenar tierras inclinadas, para prevenir la acumulación de agua desde las partes mas altas, y prevenir la concentración de agua dentro de un campo. Las zanjas de campo operan mejor en pendientes de menos de 2 por ciento. El dren es situado a traves de la pendiente tan recta como la topografia lo permita (fig. 14–7). El espaciamiento de estas zanjas varía con la pendiente del terreno y debera basarse en Guias de Diseño de Drenaje. El material excavado debera colocarse en areas bajas o en el lado cuesta abajo del dren. Conformación o Emparejamiento entre las zanjas mejora operación del sistema previniendo la concentración de flujo y la ocurrencia del encharcamiento.. (4) Camellones Anchos (Bedding) Camellones anchos se parecen al sistema de zanjas de campo paralelos con la intervencion de terreno conformado a una levantada, superficie redondeada (fig. 14–8). Este sistema de drenaje generalmente es usado donde las pendientes son planas y el suelo es lentamente permeable y donde otros tipos de drenaje no son económicamente factibles. Un sistema de Camellones generalmente es en areas de terrenos pequeños y es instalado usando equipo de labranza. Las camas son establecidos para funcionar con la pendiente del terreno o en la dirección de la salida más conveniente.Informacion local debera ser usada para determinar el ancho de camellones, altura de corona, metodo de construccion, y mantenimiento. (5) Camellones angostos (Narrow raised beds) Un sistema de Camellon angosto un ancho de camellon levantado lo suficiente para simple o doble hilera de plantado para proveer un perfil de superficie aereado. Este sistema facilita el movimiento del agua superficial y aereacion de la zona enraizable superficial. Cuando es usado con cobertura de plastico para control de mala hierba, control de evaporacion, y manejo de nutrientes, el sistema de camellones angostos pueden ser extremadamente efectivo para algunos sistemas de cultivo.


117

Figura 14–8: Camellones anchos drenaje superficial

Figura 14–9: Algunos detalles de los camellones anchos


118

6.3.1 Drenes Topo

Here the lateral shallow flow through the soil is promoted by mole channels. These are installed by a mole plough (Figure 5.11) whereby a bullet attached to a vertical tine/blade is drawn through the soil, leaving a tunnel (mole channel). The bullet is followed by an expander which expands and strengthens the channels somewhat. The mole channels thus formed normally have a diameter of some 5–10 cm and are spaced every 1.5–3.0 m. Installation depth is usually between 0.40–0.60 m below soil surface, well into the impermeable subsoil. Normally, heavy and powerful farm tractors can be used for moling. The installation capacity under normal conditions is around 5 km/hr (gross output) or some 5–10 ha per workable day.

INSTALACION

During installation, the soil is displaced forwards, sideways and upwards and in the process fails/shears along well-defined rupture planes which radiate from the tip of the tine towards the surface at an angle of approximately 45° to the horizontal (Figure 5.12). This results in the soil cracking and an increase in the soil’s porosity and hydraulic conductivity. When the installation depth reaches the so-called critical depth, the soil at the base of the tine begins to flow forwards and sideways, leading to compaction and a decrease in porosity and hydraulic conductivity (Spoor 1979, 1995).

Figure 5.12 Movimiento de agua al drenes topo

The critical depth generally occurs at a depth corresponding to an aspect ratio (tine depth/tine thickness) of the order of 5–7. It becomes shallower as the soils become more plastic (i.e., wetter) or the upper layers become harder and drier. Ideally, moling should form a channel just below the critical depth, linked to a zone of cracked soil which extends up into the topsoil. These cracks provide direct access for impeded water to the mole channels. The channels also establish a groundwater sink but when the surrounding soil is nearly impermeable, hardly any water will be drawn into the mole drains by normal subsurface water flow.

Moling is best suited to clay soils with a minimum clay content of ~30%. When the moisture content at mole depth is near the lower plastic limit, not too much smearing (hindering water entry) will occur during installation. Channels installed under much drier conditions than the lower plastic limit are liable to deteriorate rapidly. Best installation conditions will often occur shortly after harvest, when the


119

6.4 Sistemas de Drenaje Principal El sistema de drenaje principal recibe el agua desde los sistemas de drenaje de campo (colectores). In a small system, the field systems may be of a uniform type. Large systems receive water from a variety of field systems and receive surface runoff, interflow as well as subsurface water flow. The system is also likely to receive natural drainage flow and it may have to convey the discharge from urban drainage systems. The principal function of the main drains is to convey all this water to the outlet point. Main drains may, however, also collect a fair amount of excess water directly from the fields themselves (act as direct drainage sinks), especially as these drains tend as a rule to follow the depressions or run along the lower sides of the fields.

6.4.1 Principales Caracteristicas The situation shown in Figure 6.1 is fairly typical of the layout and functioning of a main drainage system. The area encompassed (drainage basin) is about 8000 ha of farmland which includes two small urban areas. The hierarchical composition of the canal network with small lower order canals combining into larger higher order canals in the process of centralisation of the flow and convergence towards the outlet, corresponds to the arrangement of most natural drainage systems. Such a composition of the drainage network emerges naturally in a design based upon topography and is compatible with the aim of arriving at a well ordered, lucid system which can readily be managed.

Figura 6.1: Ejemplo de un sistema de drenaje principal

Rio Natural

Río Natural Salida

Terreplen Rio


120

6.4.1.1 EJEMPLO DE DISEÑO DE CANAL

A suitable, simple designation system for drainage canals is shown in Figure 9.11 (refers to the basin described earlier in section 6.1). The canal system is divided into sections, bounded by junction points, structures or any other condition changing the input used for the canal design. The numbering of the sections starts with the section furthest removed from the outlet point, a principle repeated for each tributary joining. Structures may be designated independently, or be coded with reference to the canal section in which they are situated.

Figura 9.11 Layout for a main canal system

CANAL DESIGN PRACTICES Procedures commonly used are illustrated for the canal line composed of the sections 1, 3, 5, 7, 19 and 21 as in Figure 9.11. Two different methods are followed, respectively based on longitudinal section and tabular calculations. Longitudinal sections help to establish the hydraulic grade lines for the entire canal as well as for the different sections. This visual presentation enables the designer to assess how well the grade line meets the different requirements imposed upon it, such as: • canal level relative to the land level (freeboard requirements, outlet for field drains) • minimum and maximum grades and outlet conditions for the main drains • minimisation of earth movement.

The projected grade line in Figure 9.12 closely follows the slope of the land. The inner water level at the outlet is 6.60 m+ which is 10 cm above the maximum outer level needed for gravity outlet.


121

Longitudinal sections are especially helpful in finding a balance between cut and fill for a canal traversing irregular land. For the case under consideration where the land along the canal alignment has very regular and gentle slopes, a longitudinal section is not strictly required.

Figure 9.12 Canal design using a longitudinal section

Tabular calculations are quicker to make and are still quite adequate for the case under consideration. A suitable format for these calculations is shown in Table 9.3. As with the longitudinal section, the calculations start at the upstream end and move down the canal, section by section. The calculations are self-explanatory. A 10 cm headloss has been allowed for the culverts between sections 7 and 19, while the head losses over the smaller culverts in section 3 and 5 have been assumed to be recovered.

Tabla 9.3 Canal design in tabular form


122

Canal section

Sub Cuenca Contribuyente Calculos Hidraulicos Cotas m+MSL*

Sta

tion

Are

a (

ha

)

Co

ef.

Dre

na

je

(m3

/s/1

00

0h

a)

De

sca

rga

(m

3/s

)

To

tal

De

sca

rga

(m

3/s

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Pe

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te

(m/k

m)

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)

Ba

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m)

Are

a (

m2

)

Ve

loci

da

d

(m/s

)

Co

ta T

err

en

o

Co

ta A

gu

a

Co

ta F

on

do

5100 940 1.0 0.94 0.94 1.5 30 0.10 1.00 2.70 4.20 0.22 9.30 8.50 7.50

9.00 8.00 7.00

3900 810 1.2 0.97 1.91 1.5 30 0.10 1.30 3.40 6.96 0.27 9.00 8.00 6.70

8.50 7.60 6.30

3500 2020 1.0 2.02 3.93 2 35 0.115 1.50 4.00 10.50 0.37 8.50 7.60 6.10

8.15 7.20 5.70

2400 420 0.42 4.35 2 35 0.125 1.50 4.50 11.25 0.39 8.15 7.20 5.70

Alcantarilla 8.00 6.90 5.40

1000 3420 2.0 4.00 8.35 2 40 0.13 1.00 5.20 15.85 0.53 8.00 6.80 5.00

8.15 6.67 4.87

500 375 0.75 9.10 2 40 0.13 1.00 5.50 16.90 0.55 8.15 6.67 4.87

8.25 6.60 4.80

* Upper lines give levels a the upstream end and lower lines at the downstream end of the section

6.5 Estimacion de Caudales Pico

6.5.1 Metodo Racional El método racional es usado para el diseño de pequeñas estructuras, tales como alcantarillas en una carretera. La curva Intensidad-Duracion-Frecuencia (I-D-F) es un importante dato requerido. La escorrentía generada en un area es resumida en términos de area y el tiempo de concentración. Unicamente un pico es estimado. El método no estima el volumen de escorrentía y no puede asi ser utilizado para el cálculo de almacenamiento de detencion El caudal pico es estimado por:

6.3

AiCQp

⋅⋅= (m3/s)

Donde: C : coeficiente de escorrentía I : es la intensidad de precipitación para el tiempo de concentración (mm/h) A : es el area de la cuenca (km2) ( Ejemplo: Ver Hojas Aparte )


123

6.5.2 Metodo del Numero de la Curva El Soil Conservation Service (SCS) del U.S. Department of Agriculture (USDA) desarrolló un metodo para calcular escorrentía pico desde precipitación máxima en 24 horas. La descarga pico, profundidad de escorrentía, abstracción inicial, descarga unitaria pico, son calculados como sigue:

PuP FQAqQ ×××= (1) 2

210 )][log(log10000431.0 cc TCTCCuq ++×= (2)

SIaP

IPQ a

+−−=

2)( 4.2510

1000;2.0 ×

−=×=CN

SSI a (3)

Donde: Qp = Caudal pico, m3/s qu = Caudal unitario pico, m3/s/km2/mm A = Area cuenca, km2 Q = Profundidad de Escorrentía, mm

Fp = Factor de pantanos y depresiones P = Precipitación máxima en 24 horas para el periodo de retorno adoptado (mm) Ia = Abstracción inicial (mm) CN = Numero de Curva S = Retención (mm) Tc = Tiempo de Concentración (hrs)

Un modelo computacional muy bueno que trabaja este método es el WinTR-55 de NRCS USDA. (Ejemplo: Ver Hojas Aparte, Ejemplo )


124

7. Drenaje para control de Salinidad

7.1 Salinidad de Suelos

Todos los suelos contienen sales éstas subsisten cuando las rocas se convierten en suelo. Durante el proceso de erosión, la mayoría de las sales en exceso se lleva hacia abajo (lixiviado) con el agua de percolacion. Se puede precipitar a bajas profundidades o siendo transportados en solución, para terminar, en última instancia, en el mar o en un lago.

Under normal conditions, the salinity in the upper soil layers is quite moderate and the occurrence of high soil salinity (salty soils) is the exception rather than the rule. When the high soil salinity is directly related to the soil’s parent material and its formation, it is referred to as primary or residual salinity. The salinity of marine soils is a special case of residual salinity. Marine deposits may remain saline from past geological periods up to the present time in situations where there is very little leaching (arid climates, poor drainage). The most common cause of high soil salinity in agricultural land, however, is salinisation, i.e., the accumulation of salts in the upper layers of the soil. Frequently, salinisation involves a reversal of the leaching process i.e., the return of the leached salt (therefore often termed secondary salinity). A great deal of contemporary salinisation is caused by man’s activities, especially by irrigation development (Chapter 11), but may originate from different circumstances as well (Box 10.1). Atmospheric fall-out may be a significant source of salt in coastal land and near deserts (annual salt loads of up to 100–200 kg per ha have been reported).

7.1.1 Formas de Ocurrencia y Distribucion de Sales en el Suelo

Las sales están presentes en el suelo en una de las siguientes tres formas:

• Sales disueltas: salt ions dissolved in the soil water (the soil solution) • Sales adsorbidas: salt cations adsorbed on the negatively charged surfaces of the

soil particles (adsorption complex) • Sales precipitadas.

Como se muestra en la Figura 10.1, existe equilibrio de intercambio dinamico entre los cationes en la solucion del suelo and those adsorbed on the complex, and also between dissolved and precipitated salts.

Figura 10.1 Formas de ocurrencia de sales en el suelo

The salt composition in the soil is generally a reflection of the salt composition at its source of origin (parent-rock material, groundwater, sea water, etc.) but various dilution-


125

concentration, leaching-precipitation and desalinisation-re-salinisation cycles may have resulted in considerable changes in the original composition.

7.1.2 La Solucion del Suelo

Los principales iones de sal que se encuentran en la solución del suelo de un suelo salino son (ver tambien Tabla 10.3):

• cationes: Na+ Ca++ Mg++ (K+)

• aniones: Cl− SO4−− HCO3

− (C03−) (N03

−)

A characteristic feature of many salty soils is the high concentration of Na. This contrasts with normal (non-salty) soils in which <5% of the soluble cations normally consist of Na, while Ca or Ca+Mg are by far the most dominant cations in the soil solution. In many salty soils the concentration of Na exceeds that of Ca and Mg. The concentration of K is usually only slightly higher in salty soils when compared to non-salty soils, remaining low in both cases.

On the anion side, there is often a predominance of Cl and SO4 in salty soils. At normal pH values (pH 6–8), carbonates are only present in the form of bicarbonates (HCO3). At higher pH values HCO3 changes into CO3 although up to pH~8.5 the quantity of CO3 in most soil solutions remains quite insignificant.

Box 10.2 Selected atomic weights and their valencies

Salt concentrations are normally expressed in mg/l (or in ppm, its numerical equivalent). They may also be expressed in meq/l. The equivalent weight of an element or compound is the weight (in g) of that element or compound that will combine with or displace one g of hydrogen. Numerically it is determined by dividing the atomic weight of the element or the molecular weight of the compound by the relevant valence. The equivalent weight of, for example, CaCO3 is: Ca(40)+C(12)+3O(3×16)=100 (molecular weight), divided by the valence (in this case the valence of Ca or CO3, both 2), giving as equivalent weight 50 g (meq weight=50 mg).

Weight Valence Weight Valence

Aluminium (Al) 27 2 or 3 Magaesium (Mg) 24 2

Boron (B) 11 3 Nitrogen (N) 14 3 or 5

Calcium (Ca) 40 2 Oxygen (O) 16 2

Carbon (C) 12 4 Potassium (K) 39 1

Chlorine (Cl) 35 1 Sodium (Na) 23 1

Hydrogen (H) 1 1 Sulphur (S) 32 2,4 or 6

Iron(Fe) 56 2 or 3


126

The relatively high salt concentrations found in the soil solutions of salty soils frequently exceed the solubility limits of the poorly soluble alkaline earth carbonates (CaCO3 and MgCO3) and also that of gypsum (CaSO4.2H2O). In these circumstances the salts precipitate, withdrawing Ca, Mg and SO4 ions from solution17. Sodium salts and chlorides are generally highly soluble hence the preponderance of Na and Cl in many salty soils. However, this high solubility ensures that their concentration also falls rapidly upon leaching of the soil. When the less soluble salts are leached, their concentrations in the soil solution fall more slowly as previously precipitated salts come into solution and replace the leached salts. Therefore, in a soil exposed to cyclic salinisation-desalinisation, the presence of Na and Cl in the soil solutions is often of the same order or even less than that of Ca, Mg and SO4.

7.1.3 Cationes Adsorbidos

Soils have the capacity to adsorb cations. This capacity is vested in the negatively charged surfaces of the soil colloids which attract cations from the soil solution. It is quantified by the so-called cation exchange capacity of the soil (CEC, expressed in meq/100 g dry soil).

A dynamic exchange equilibrium exists between the adsorbed cations and the cations in the soil solution. As the concentration of cation ‘b’ in the soil solution increases relative to cation ‘a’, the cation composition on the adsorption complex will adjust itself by exchanging adsorbed ‘a’ cations for ‘b’ cations from the soil solution until a new equilibrium becomes established (Figure 10.2).

17 The solubility of CaCO3 (lime) at pH>7.5 is <1 meq/l whereby 1 meq weight=50 mg. Its solubility sharply increases at pH<7.5, especially in the presence of CO2 produced e.g., by the plant roots [CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2 which is highly soluble]. The solubility of MgCO3 is slightly higher than that of CaCO3. Gypsum (CaSO4.2H2O) has a solubility of 20–40 meq/l=1500–2500 mg/l.


127

Figura 10.2 Principios del proceso de intercambio de cationes

This cation exchange process is complicated by the fact that divalent cations are adsorbed more readily than monovalent cations, whilst in addition there is also a difference in adsorption preference between cations having the same valence. Roughly, the order of adsorption preference is:

Ca++>Mg++>H+>K+>Na+

Therefore, as long as Ca is the dominant cation in the soil solution, as is generally the case in non-salty soils, little Na will be adsorbed since it is very difficult for Na to displace Ca on the complex. This is fortunate because a high Ca occupancy on the complex is much more favourable than a high Na occupancy (section 10.2.3). A significant Na occupancy is only to be expected when more than half of the cations in the soil solution consist of Na (Figure 10.3).

7.1.4 Relaciones de Equilibrio

The equilibrium relationships between the adsorbed cations and those in the soil solution are described by the ecuacion Gapon (Tanji 1990). For salty soils containing mainly Ca, Mg and Na cations, this equation reads:

sol

ads MgCa

NaK

MgCa

Na

+=

+ ++++

+

++++

+

2

Eq. 10.1

with the adsorbed (ads) cations expressed in meq/100 g dry soil and the soluble (sol) cations in meq/l. The coefficient K has a value of about 0.015 [(meq/l)−½]. For most salty soils it may be assumed that (Ca+Mg)ads=CEC − Naads. Further defining:

)(%100* ableIntercambiSodiodePorcentajeESPCEC

Naads =

+

Entonces

)(Re

2

SodiodeAdsorciondelacionSARMgCa

Na

sol

=

+ ++++

+

it follows that Eq. 10.1 may be rewritten as:

(%))015.01(

)*015.0(100

SAR

SARESP

+≈ Eq. 10.2


128

Many factors interfere, limiting the validity and applicability of this derived relationship between the SAR-value of the soil solution and the corresponding ESP-value of the soil. Nevertheless, a fair agreement exists with the empirically derived relationship between these two parameters depicted in Figure 10.3. Details concerning the determination of the SAR and ESP values can be found in section 10.3.3.

The Gapon equation indicates that when the soil solution becomes more concentrated, Naads increases at the expense of (Ca+Mg)ads, thus resulting in an increased ESP. In the case of dilution, the Naads will be replaced by (Ca+Mg)ads and the ESP will decrease.

7.1.5 Distribucion de Sales en el Suelo

El nivel de salinidad en el suelo es muy variable en el tiempo y en el espacio, en esta ultima las variaciones incluyen en posición vertical como en sentido horizontal. La principal causa de esta variación es el movimiento de las sales con el movimiento del agua en el suelo y porque el campo de los regímenes de humedad del suelo son muy dinámicos, la distribución de la sal en el suelo también es muy dinámico. El flujo ascendente y descendente de agua en el perfil cambia con frecuencia la distribución vertical de las sales. Después de la lluvia (o riego) el contenido de sal en las capas superiores pueden ser bajos, mientras que la situación inversa es probable que se encuentre al final de un período seco. A mayor profundidad, donde las condiciones de humedad cambian menos, el contenido de sal es más constante con variaciones estacionales muy reducidas.

Figura 10.4 Ejemplo de distribucion de sales en el suelo

Un ejemplo de variación horizontal de la salinidad del suelo se presenta en la figura 10.4, que representa la distribución de la sal en un corte transversal a través de dos crestas en la tierra de riego por surcos, algunos días después de que se ha diluido. La mayor salinidad se encuentra en la parte superior de las crestas que son los más expuestos a la evaporación, a la que el agua (y por lo tanto las sales) de la tierra circundante se dibujan. La variación en la salinidad del suelo es la regla y no la excepción. Cambios en el régimen de suelo hidrológico, las variaciones del suelo,


129

distribución de las raíces, el alivio de todos los microorganismos contribuyen a esta variación. Cualquier evaluación de la salinidad del suelo debe tener esto en cuenta.

Figura 10.3 Relaciones SAR-ESP (USDA 1954, citado por Smedena 2004)

7.2 Impactos en la agricultura, Diagnóstico y Evalu ación Los problemas causados por la salinidad del suelo se pueden clasificar en tres tipos cada tipo se relaciona con un aspecto particular de la salinidad del suelo:


130

(a) Problemas osmóticos: alta concentración de sales totales de la solución del suelo que aumenta la presión osmótica del agua del suelo y hace más difícil a las raíces de las plantas extraer agua del suelo. (b) Problemas de toxicidad: alta concentración en la solución del suelo de algunos iones específicos o un desequilibrio entre dos o más iones que perjudica el crecimiento de las plantas. (c) Problemas de dispersión: la ocupación relativamente alta de complejo de intercambio del suelo por Na que permite la fácil dispersión de los coloides en el suelo y la estructura del suelo pobre. Un cuarto problema, es decir, la agresividad química de algunas sales con respecto a algunos materiales de construcción se describe brevemente en la sección 10.2.4

7.2.1 Problemas Osmoticos

Salts dissolved in water exert binding forces on the water, these being termed osmotic forces. A plant extracting water from a salty soil must overcome these forces, in addition to the normal soil moisture retention forces (capillary forces etc., see section 3.2). Not only must the plant apply greater suction forces (or otherwise accept lower uptake rates) but also, a larger proportion of the soil moisture will be held by strong forces and thus be less readily available or even unavailable to the plants. At high soil salinity, crops show early signs of moisture stress, which is one of the principal causes of the poor growth of crops in salty soils.

MEASUREMENT

The osmotic forces increase in direct proportion to the total salt concentration of the soil solution for the range of salt mixtures normally found in salty soils. The total salt concentration (TDS=total dissolved salts) may thus be used to indirectly assess the osmotic forces and problems to be expected. The TDS should preferably be measured under the conditions under which the plant takes up most of its water from the soil i.e., in the moisture range from field capacity (FC) to wilting point (WP). Since it is difficult to extract a soil solution sample from the soil in this moisture range, the salt concentration is determined at a standardised higher moisture content, the saturation point (SP), see Box 10.3.

Soil salinity is commonly expressed by the electrical conductivity (EC-value) of the soil solution. For the salt mixtures normally found in salty soils, the EC-value and the TDS are linearly related and since the osmotic forces increase linearly with the salt concentration, a linear relationship also exists between the osmotic forces in the soil solution and its EC-value (USDA 1954, see Figure 10.5). The SI unit of electrical conductivity is the S/m (Siemens per meter). Soil and water salinity are mostly expressed in dS/m (deci-Siemens per meter) as this smaller unit gives values which are numerically equal to the values expressed in the formerly used mmhos/cm units. The EC measurement is temperature sensitive and is therefore standardised to 25°C.


131

Box 10.3 Soil moisture and salinity relationships at the saturation point

The saturation point (SP) refers to a puddled soil and should not be confused with the moisture content of a saturated undisturbed soil. Sandy soils generally hold less water at SP than in saturated undisturbed conditions, while the opposite generally applies to clay soils, For medium/medium fine textured soils it roughly holds that (θ=moisture content

in %w [by weight]):

AMrangoelenpromedioSPenAsiWPenSPen

FCenSPenθθ

θθθθ

×≈

×≈

×≈3

4

2

As the salt concentration of the soil solution is inversely proportional to the soil moisture content, it follows that for medium textured soils, the soil solution in the AM range is on average 3×as concentrated than at SP, meaning that the EC-value faced by

the plants is about 3×ECe. For sandy soils, a somewhat higher concentration ratio applies; for clays it would normally be slightly lower. The inverse proportionality

between salt concentration and soil moisture content of course applies only when all salts remain dissolved. In the presence of large quantities of only slightly soluble salts (lime, gypsum), somewhat lower concentration ratios apply due to precipitation at high

concentrations.

Figura 10.5 Linear relationships between total soluble salt concentration, electrical conductivity and osmotic pressure

NB. The given relationships are valid for the range of salt mixtures and concentrations normally found in salty soils and are most accurate for the saturation extract.

The EC-value of the soil solution at saturation point is designated as the ECe-value. It has proved to be a suitable diagnostic parameter for the osmotic problems caused by high soil salinity. The procedure and main features of the determination of the ECe-value of the soil are detailed in Figure 10.6.


132

LA INTERPRETACION AGRICOLA DE VALORES ECE

Good correlations between the ECe-values and yields have been established for many crops. The following general criteria apply (Schofield scale):

ECe = 0–2 dS/m : negligible effect on all crops

2–4 dS/m : slight effect on sensitive crops

4–8 dS/m : significant effect on many common crops

8–16 dS/m : only salt tolerant crops can be grown

>16 dS/m : only highly resistant plants can survive.

Tolerance tables compiled by the US Salinity Laboratory (Table 10.1) give for various crops the ECe-value at which yield reductions of respectively 0, 10, 25 and 50% are to be expected. This table shows that the crops vary in their salt tolerance. Beans, for example, are highly sensitive with yield reductions already to be expected for ECe< 1.0 dS/m while barley is able to tolerate ECe=8 dS/m without yields being affected. Tolerance may also vary between different varieties of the same plant.

Recent views are that for most crops the yield response to soil salinity can quite adequately be described by a broken-linear model as depicted in Figure 10.7. By fitting the yield reduction data of Table 10.1 to this model, these data have been translated into values for the broken-linear model parameters i.e., the parameters T= threshold value and α=percentage yield reduction (Tanji 1990, FAO 2002).


133

Figura 10.6 Outline of the ECe measurement

Figura 10.7 Broken-linear soil salinity response model


134

Tabla 10.1 Tablas de tolerancia de cultivos a la salinidad del suelo (FAO 1985)

Reducción rendimiento:

0% 10% 25% 50%

CULTIVOS DE CAMPO

Cebada (Hordeum vulgare) <8 10 13 18

Algodón (Gossypium hirsutum) <7.5 9.5 13 17

Remolacha (Beta vulgaris) <7 8.5 11 15

Sorgo (Sorghum bicolor) <4.7 7.5 8.5 10

Trigo (Triticum aestivum) <6 7.5 9.5 13

Cártamo (Carthamus tinctorius) <5.5 6 7.5 10

De soja (Glycine max) <5 5.5 6.5 7.5

Caupí (Vigna sinensis) <5.0 5.5 7 9

Maní (Arachis hypogaea) <3 3.5 4 5

Arroz (paddy Oryza sativa) <3 4 5 7

Sesbania (Sesbania macrocarpa) <2.5 3.5 6 9.5

Caña de azúcar (Saccharum officinarum) <2 3.5 6 10

Maíz (Zea mays) <1.5 2.5 4 6

Lino (Linum usitatissimum) <1.5 2.5 4 6

Habas (Vicia faba) <1.5 2.5 4 7

Frijol (Phaseolus vulgaris) <1.0 1.5 2.5 3.5

CULTIVOS DE FRUTAS

Palmera datilera (Phoenix dactylifera) <4 7 11 18

Higuera (Ficus carica)

Olivo (Olea europaea-) <2.5 4 5.5 8.5

Granada (Punica granatum)

La toronja (Citrus paradisi) <2 2.5 3.5 5

Naranja (Citrus sinensis) <1.5 2.5 3 5

Limón (Citrus limonea) <1.5 2.5 3.5 5

Manzana (Pyrus malus)

Pera (Pyrus communis) <1.5 2.5 3.5 5

Nogal (Juglans regia) <1.5 2.5 3.5 5

Melocotón (Prunus persica) <1.5 2 3 4

Albaricoque (Pyrus armeniaca) <1.5 2 2.5 3.5

De uva (Vitis spp.) <1.5 2.5 4 6.5


135

Almendra (Prunus amygdalus) <1.5 2 3 4

Ciruelo (Prunus domestica) <1.5 2 3 4.5

Mora (Rubus sp.) <1.5 2 2.5 4

Boysenberry (Rubus sp.) <1.5 2 2.5 4

Aguacate (Persea americana) <1.5 2 2.5 3.5

Frambuesa (Rubus idaecus) <1.0 1.5 2 3

Fresa (Fragaria spp.) <1.0 1.5 2 2.5

HORTALIZAS

Squash / Cougette (Cucurbitapepo melopepo)

<4.5 6 7.5 10

Remolacha (Beta vulgaris) <4 5 7 9.5

Brócoli (Brassica italica) <3 4 5.5 8

Tomate (Lycopersicon esculentum) <2.5 3.5 5 7.5

Pepino (Cucumis sativus) <2.5 3.5 4.5 6.5

Melón (Cucumis melo) <2 3.5 5.5 9

Espinaca (Spinacia oleracea) <2 3.5 5.5 8.5

Apio (Apium graveolens) <2 3.5 6.0 10

La col (Brassica oleracea capitata) <2 3 4.5 7

Papa (Solanum tuberosum) <1.5 2.5 4 6

Maíz dulce (Zea mays) <1.5 2.5 4 6

La batata (Ipomoea batatas) <1.5 2.5 4 6

De pimiento (Capsicum frutescens) <1.5 2 3.5 5

Lechugas (Lactuca sativa) <1.5 2 3 5

Nabo (Brassica rapa) <1 2 3.5 6.5

Yield reduction:

0% 10% 25% 50%

El rábano (Raphanus salivas) <1 2 3 5

Cebolla (Alliutn cepa) <1 2 3 4.5

Zanahoria (Daucus carota) <1 1.5 3 4.5

Frijol (Phaseolus vulgaris) <1 1.5 2.5 3.5

CULTIVOS FORRAJEROS

De pasto de trigo (Agropyron elongatum) <7.5 10 13 19

De pasto de trigo (Agropyron cristalam) <7.5 9 11 15


136

De pasto bermuda (Cynodon dactylon) <7 8.5 11 15

Cebada (heno) (Hordeum vulgare) <6 7.5 9.5 13

Rye grass perenne (Lolium perenne) <5.5 7 9 12

Trébol, hojas de loto de los estrechos (L. corniculatus tenuifolius)

<5 6 7.5 10

Pasto Harding (Phalaris tuberosa) <4.5 6 8 12

Festuca alta (Festuca elatior) <4 5.5 8 12

Crested de pasto de trigo (Agropyron desertorum)

<3.5 6 10 16

Veza (Vicia sativa) <3 4 5.5 7.5

Pasto del Sudán (Sorghum sudanense) <3 5 8.5 14

Sesbania (Destania exaltata) <2.5 4 6 9.5

Wildrye, sin barba (triticoides Elymus) <2.5 4.5 7 11

Trébol, grandes (Lotus uliginosis) <2.5 3 3.5 5

La alfalfa (Medicago sativa) <2 3.5 5.5 9

(Eragrostis spp.) <2 3 5 8

Maíz (forraje) (Zea mays) <2 3 5 8.5

El trébol, el trébol (Trifolium alexandrinum)

<1.5 3 6 10

Orchard Grass (Dactylis glomerata) <1.5 3 5.5 9.5

Pradera de cola de zorra (Alopecurus pratensis)

<1.5 2.5 4 6.5

Clover, alsike, ladino, rojo, fresa (Trifolium spp.)

<1.5 2.5 3.5 5.5

Note: these data should be applied with caution, particularly keeping in mind that: a) the data are based on results obtained in small plots, artificially salinised by irrigation water b) the ECe values indicated are average values over the active rootzone, although the salinity is normally somewhat higher in the upper than in the lower rootzone c) the data apply to the growth period from seedling stage to early maturity. Generally, crops are slightly more sensitive during germination. Part of the salinity problems commonly experienced during germination are due to the fact that seeds are placed where soil salinity is highest (e.g., top of ridges) rather than due to a higher sensitivity to salinity during germination d) the data best apply to medium to medium-fine textured soils. In light textured soils the soil solution between FC and WP is more concentrated than in the medium textured reference soils (Box 10.2) and so slightly lower ECe values should be adopted when crops are to be grown in light soils. In heavy clay soils the reverse argument applies and so slightly higher values may be adopted


137

e) the data apply when highly soluble salts dominate the soil solution. Somewhat higher ECe values may be adopted when only slightly soluble salts are present in large quantities (>20–30 meq/l) or when the CO3

2−+HCO3− concentration of the soil solution

is high f) salt concentrations around the roots will generally be higher, especially at high evapotranspiration rates (ET). Therefore it is prudent to take somewhat lower ECe values when the evapotranspiration is high.

Salinity conditions in the rootzone and thus the osmotic problems faced by the crop, are seldom uniform. Conditions vary spatially within the rootzone as well as in time. Plant response reflects the integration of these variable conditions experienced by the plant. As the root activity and water uptake generally decrease with depth, conditions in the upper rootzone may normally be expected to carry more weight than conditions in the lower rootzone. Which rootzone salinity parameter best relates to crop response is still the subject of further research.

7.2.2 Problemas de Toxicidad

Whereas osmotic problems are caused by the high total salt concentration of the soil solution, the cause of the toxicity problems appears to be either a high concentration of a particular cation or anion (see also Table 1.5 for indicator values of selected water quality parameters), or an unfavourable salt composition in the soil solution resulting in an excess or unbalanced uptake by the plants.

7.2.3 Clasificacion de Suelos

The system developed by the US Salinity Laboratory (Riverside, California) is most commonly used for the classification of salty soils. The system is suitable for phase level differentiation in a systematic soil mapping as well as for single value mapping. The diagnostic parameters in this system are the ECe-value (indicative of the osmotic problems) and the ESP-value (indicative of the dispersion problems). The limits used conform to those described in sections 10.2.1 and 10.2.3.

Typical analytical results of the above distinguished four different types of salty soils are presented in Table 10.3. The pH-values of salty soils often fit the following pattern:

- suelos salinos pH<8.5 (determinado en el extracto de saturacion)

- suelos salino sodicos pH~8.5 (determinado en el extracto de saturacion)

- suelos sodicos pH=8.5–10 (determinado en el extracto de saturacion)

The pH should, however, not be used as a classification criterion as many other factors may interfere, viz in the presence of lime the pH may well exceed 8.5 even while the ESP is low, while in gypsiferous soils the pH seldom exceeds 8.2 regardless of the value of the ESP


138

Los suelos son clasificados en base al ESP y EC. Tabla : Clasificacion de Suelo del Laboratorio de Salinidad US.

EC < = 4 dS/m EC > 4 dS/m ESP < = 15%

No Salino & No Sodico

Salino

ESP > 15%

Sodico

Salino y Sodico


139

Tabla 10.3 Typical analytical data for different types of salt affected soils (USDA 1954)

Exchange Complex Saturation extract

SP% w CEC* Na+ K+ Ca++ Mg++ H+ Ca++ Mg++ Na+ K+ Total CO−3 HCO−3 SO−

4 Cl− Total ECe dS/cm

ESP %

SARe pH Gypsum (meq/100 g soil)

Alkaline earth carbo nates**

Non-saline, non-sodic soils

36 20 <1 2 11 6 1 2.7 2.3 1.2 0.9 7.1 0 2.6 2.1 0.9 5.6 0.6 2 0.8 6.4 0 −

32 29 3 <1 0 3.3 1.9 12.2 0.7 18.2 0 6.1 4.3 4.9 5.4 1.7 10 8.0 7.8 0 +

40 17 <1 <1 0 2.8 1.7 5.2 0.2 9.9 0 6.6 2.7 0.4 9.7 0.8 3 3.5 7.9 0 +

Saline soils

52 14 2 <1 0 31.5 37.2 102.0 0.2 170.9 0 4.5 90.0 78.0 172.6 13.9 13 17 7.9 7.1 +

47 17 2 <1 0 37.0 4.0 79.0 0.4 150.4 0 7.2 62.2 47.0 148.4 12.0 8 13 8.0 0 +

40 19 2 3 0 28.4 22.8 53.0 1.1 105.3 0 5.2 74.0 29.0 108.2 8.8 10 11 8.0 0 +

Sodic soils

59 33 6 1 11 10 0 1.1 1.4 15.6 04 18.5 0 6.5 •8.5 2.9 17.9 1.7 18 14 8.3 0 +

61 34 8 1 4 1.4 1.0 21.5 0.3 24.2 0 3.3 3.8 16.7 23.8 2.5 24 20 7.3 0 −

39 22 10 7 0 1.1 0.3 29.2 4.1 34.7 8.4 18.7 4.6 7.5 39.2 3.2 46 35 9.6 0 +

Saline-sodic soils

36 9 1 10 12 4 6.7 9.9 79.5 0.5 96.6 0 2.4 20.1 72.0 94.5 9.2 26 28 7.3 0 −

60 40 11 1 0 32.4 38.3 145.0 0.5 216.2 0 3.3 105.0 105. 213.3 16.7 26 24 7.8 42.2 +

36 26 17 2 0 0.6 0.9 58.5 1.6 61.6 5.0 19.9 21.5 0 62.7 5.6 63 68 9.3 0 +

16.3

* In principle: CEC=Na+K+Ca+Mg+H; in the Table not all adsorbed cations are recorded. ** Present(+) or absent (−)


140

7.2.4 Apariencia de Campo

Many salty soils have a normal field appearance. The salt content must usually be quite high before salinity becomes observable in the field. Soil salinity problems cannot therefore be properly assessed in the field but should also be based on (laboratory) measurements. Field appearances of soils and vegetation are only able to give indications of soil salinity (usually of severe cases only). Typical symptoms in the soil are:

a) efflorescence phenomena: powdery, crystalline salt deposits on exposed, surfaces from which water evaporates (leaving the salts behind): high spots (e.g., top of ridges), side slopes of ditches, walls of soil pits, etc.

b) damp, oily looking soil surface, slick spots (due to hygroscopic salts, especially CaCl2)

c) mycelia in the soil profile: salts precipitated in the fine pores, forming a pattern of thin white veins (usually carbonates)

d) crystals, clustered or scattered, usually encountered at specific depths (especially true with gypsum crystals)

e) crusts: concentration of crystalline salt at the soil surface or any other evaporating plane in the profile. leading to the formation of a cemented layer

f) dark film on the soil surface, left by evaporating soil moisture containing dispersed organic matter (especially in the presence of Na2CO3).

The features a), b), c), d) and e) mainly indicate a high salt content in the soil (high EC-value, saline soils) although the ESP may be high as well. Feature f) indicates sodicity (high ESP and especially high pH). Poor soil physical conditions (hard consistency when dry, plastic/sticky when wet; surface crusting; poor aeration conditions; low hydraulic conductivity due to movement and blockage of pores by dispersed particles) are also commonly associated with high sodicity, although it must be remembered that poor physical conditions in the soil can be the result as well as the cause of the salinity problems.

Typical salinity symptoms in vegetation are: stunted growth, patchy stands, dull/dark/bluish green colours and signs of toxicity as described in section 10.2.2. The salinity must be quite high for the signs to appear in crops. At low levels the crop growth is more likely to be rather uniformly depressed all over the field, without

7.3 Salinidad debido a la Irrigacion Salinización de los suelos por lo general se refiere al desarrollo de un suelo no salino en un suelo salino y, sobre todo al desarrollo de un suelo no salino a un suelo salino. Se trata de un aumento del contenido de sales solubles del suelo y el aumento de la concentración de sal en la solución del suelo. Dependiendo de la composición de la sal,


141

sodificación puede ocurrir en paralelo con la salinización. Sodificación no ocurre casi nunca en forma aislada, sino generalmente es provocada por la salinización. Los procesos de salinización se describe en este capítulo son las que ocurren en las tierras de regadío en la zona árida. Se hace una distinción entre la salinización directa por parte del agua de riego y la salinización capilar del agua subterránea subyacente. Esta distinción es sobre todo conceptual como en la práctica estos dos procesos ocurren a menudo simultáneamente. Ambos procesos son controlados por el drenaje.

7.3.1 Salinización por el Agua de Riego Toda el agua de riego contiene sales. La mayor parte del agua de riego proviene de las precipitaciones, que se filtra a través del suelo hacia las aguas subterráneas y en adelante, hacia los ríos, recogiendo las sales en su camino. El uso de las aguas subterráneas para el riego plantea problemas especiales, porque esta agua en particular puede contener una carga de sal considerable. Esto es especialmente cierto en los climas áridos, donde, debido a la escasez de precipitaciones y la evaporación, el agua subterránea no se actualiza con tanta frecuencia como en climas húmedos y las sales tienden a ser más concentrado. Los ríos suelen tener un mayor contenido en sal durante la temporada de caudal bajo que durante la temporada de inundaciones, mientras que las condiciones de sal también puede variar a lo largo del curso de un río. Cada aplicación de riego importa una cierta cantidad de sal en la zona radicular. A medida que el agua se pierde por evapotranspiración, las sales se quedan en la zona de zona de raíces / evaporación, donde se acumulan menos una cantidad equivalente de sal se extrae de esta zona como es traído por el agua de riego (concepto de balancear las sales). A medida que la absorción de sal por los cultivos es pequeña, la eliminación de la sal depende casi enteramente de la lixiviación por percolación profunda, es decir, el lavado de la sal con el agua se filtra a través del suelo a profundidades por debajo de la zona radicular. La salinización por el agua de riego se puede esperar cuando el lavado se ve limitado por el mal drenaje o por la falta de agua de lavado. Esto último puede ocurrir en el caso de menor irrigacion (con el agua que se aplica a duras penas reune la evapotranspiración, sin dejar exceso de percolación profunda). También puede ocurrir en condiciones de alta eficiencia de riego o riego por goteo. La salinidad del agua aplicada, por supuesto, también es un factor importante. En la mayoría de los casos, sin embargo, este tipo de salinización es sólo temporal con la mayoría en la temporada de acumulación controlada por sobre-irrigacion periódica y la lluvia y la mayoría de sobre-acumulación estacional es anulada por el pre-riego antes de la próxima temporada. Las lluvias de invierno (como por ejemplo, ocurre en la región del Mediterráneo) también son muy eficaces en el control de sobre acumulaciones de sal en la temporada.

7.3.2 Salinización de las Aguas Subterráneas (Salinización Capilar) La evaporación de (solución salina) de las aguas subterráneas es de lejos la causa más común de la salinización del suelo. El agua subterránea puede evaporarse directamente de la napa freática, cuando éste se produce dentro de la zona de evaporación, o puede ser


142

extraído de las capas más profundas como la propia evaporación crea un gradiente de flujo ascendente por capilaridad desde una profunda capa freática en la zona de evaporación (Figura 11.1). La captación de agua del suelo por las raíces también contribuye a la acumulación de sal ya que este proceso también ayuda a crear gradientes de flujo ascendente y deja atrás las sales (las raíces de las plantas absorben mucha más agua que las sales).

Figura 11.1 Salinizacion capilar Antes de la introducción del riego, la recarga de agua subterránea es generalmente muy pequeño, sólo alimentada por la precipitación mínima de la creación de un clima árido sistema de riego normal. La descarga de aguas subterráneas naturales es generalmente fácil de poder hacer frente a una baja recarga, incluso con capas freáticas profundas (cabezas bajas). El componente de infiltración profunda del sistema de riego recientemente introducidos fácilmente puede llegar a 20-30% del agua de riego aplicada y recargar fácilmente puede llegar a un múltiplo de la recarga original. En respuesta, la napa freática se elevará a un nivel donde la combinación de la cabeza mayor, resultando en mayores descargas, además de flujo ascendente capilar son capaces de equilibrar el aumento de la recarga. Existen numerosos proyectos de riego en capas freáticas han subido desde 20 a 30 m de profundidad a 1.2 m de profundidad por debajo de la superficie del suelo durante un período de 10-15 años siguientes al inicio del proyecto (ver Figura 12.1).

7.3.3 Sodificación Sodificación implica la sustitución de otros cationes en el complejo de adsorción de sodio. Reemplazo significativo sólo ocurre cuando el Na se convierte en el catión dominante soluble en la solución del suelo (valot alto de SAR, véase la sección 10.1).


143

Esto puede ocurrir cuando la fuente salinizante es rica en Na, cuando la solución del suelo se concentra más, o cuando por otras razones, los procesos de salinización favorecen la acumulación de Na. El termino mas antiguo alcalinización es aún comúnmente utilizado para describir estos mismos procesos. La presencia de CO2 y HCO2 en la solución del suelo es especialmente importante. Estos aniones forman sales con Ca, que son poco solubles, mientras que las correspondientes sales de Na son muy solubles. Su presencia por lo tanto conduce a un enriquecimiento relativo de la solución del suelo con Na en la solución del suelo, se concentra más porque las sales de Ca precipitan.

7.3.4 Balance de sales de tierras irrigadas El equilibrio de sales de la zona de raíces en las tierras irrigadas se puede expresar como en la ecuación 11.1 (figura 11.4):

ICi+RCr+GCg=PCp+∆S Ec 11.1

donde; I = agua de riego entrante a la zona radicular R = precipitacion entrante a la zona radicular G = flujo capilar del agua subterránea a la zona radicular P = percolación profunda de la zona radicular C = la concentración de sal del agua (con subíndices i, r, g, p referenciando respectivamente, irrigacion, lluvia, agua subterránea y percolación)

∆S = cambio en el contenido de sal en la solución del suelo en la zona radicular I, R, G y P se puede expresar en varias unidades, aunque mm / período más conveniente (por ejemplo, mm / mes, mm / temporada, etc.) La unidad correcta de C es (m) g / l, pero desde C y la EC están relacionadas linealmente (Figura 10.5) la unidad de EC dS / m se puede utilizar también. La ecuación. 11.1 se aplica a las sales solubles solamente. Sales que precipitan o entran en solución durante el período considerado se desprecian. La absorción de sal por los cultivos comunes es pequeño, ya sea despreciar o suponer que se compensará con la aplicación de fertilizantes.


144

Figure 11.4 Balance de agua de tierras irrigadas

Eq. 11.1 reduces to Eq. 11.2 when:

a) Cr is negligibly small as is the case for normal rainwater which has an EC-value of 0.02–0.05 dS/m; close to the sea, however, the salt content of the rainwater may rise to EC=0.20–0.30 dS/m

b) Cg=Cp which is a reasonable assumption for annual averages but less valid for short periods

c) ∆S=0 i.e., the salt balance is in equilibrium (the salt content in the rootzone at the beginning of the period and at the end being equal).

ICi=(P-G)Cp=LR Cp→ I ECi=(P-G)ECp=LR ECp Eq. 11.2

where LR=leaching requirement which is the excess of P over G. When a water quantity LR satisfying Eq. 11.2 is drained from the rootzone, as much salt is leached as is brought in by the irrigation. Eq. 11.2 expressed in EC-units, may be rewritten as:

LR=(ECi/ECp) I Eq. 11.3

Eq. 11.3 expresses LR as a fraction of I i.e., the fraction of the infiltrated irrigation that must go into deep percolation in order to maintain a salt balance in the rootzone. The fractional factor ECi/ECp is called the leaching fraction (LF).

In an equilibrium situation the following water balance also holds (Figure 11.4):

I=(ET−R)+(P−G) Eq. 11.4

The difference (ET−R) is the rainfall deficit (=net crop irrigation requirement,

designated as Ic) while the difference (P-G) represents the leaching requirement. Eq 11.4 may thus be rewritten as:

I=Ic+LR Eq. 11.5


145

where I=the total irrigation requirement (=crop irrigation requirement+leaching requirement). Combining Eq. 11.3 and 11.5 gives:

cip

i IECEC

ECLR ⋅

−=

Eq. 11.6

The required LR may be calculated, using this formula, on the basis of the known values of ECi and Ic and an ECp value selected on the basis of an acceptable level of salinity in the rootzone (see next section).

7.3.5 Calculo de Requerimiento de Lavado

Values for ECp may be determined experimentally by sampling the soil below the rootzone, the upper groundwater or the drain water. In planning, ECp values are usually based on the maximum salinity which can be tolerated in the rootzone, taking into consideration that:

a) under leaching the soil salinity increases with depth (Figure 11.5) and the ECe values at the lower rootzone boundary can easily be allowed to equal the ECe-25% to ECe-50% values as read from Table 10.1. The weighted average ECe value for the entire rootzone (weighted according to root distribution) would still be only ECe-0% to ECe-10% while the salinity in the upper rootzone (on which crop response mainly depends) would be close to the ECe-0% value

b) the rate of downward percolation and leaching varies with the soil moisture content. This rate is highest when the rootzone is above field capacity (FC), a situation that prevails during the first 1 to 2 days after irrigation. Thereafter leaching continues at a decreasing rate. The average soil moisture content during leaching is about equal to field capacity. As indicated in box 10.2, in many soils the soil solution at FC is roughly twice as concentrated as at saturation point, or ECfc~2×ECe

c) the deep percolation is not all equally effective in contributing to the leaching of salts from the rootzone. The most effective leaching results from water which moves through the mass of the soil. The water that moves rapidly downwards through the larger pores, cracks, etc. (preferential flow) picks up very little salt and has only a minimal leaching effect. This may be expressed by introducing the leaching efficiency factor (f), being the mass flow proportion of the total deep percolation flow [the remainder (1-f) being the preferential flow]. Assuming the salinity of the mass flow to be equal to ECfc and that of the preferential flow equal to ECi, it follows that ECp=f.ECfc+(1-f)ECi. The leaching efficiency depends on the soil texture/structure but also on the initial moisture content and on the mode of water application. Observed values range from f=0.4–0.7 in Iraq to f=0.60–0.95 in Tunisia.

On the basis of these considerations, values for ECp in Eq. 11.6 are often taken as (Rhoades 1974):

ECp=2ECe-25%: for mostly sensitive crops, when rather low leaching efficiencies are to be


146

expected or when a high standard of salinity control is desirable

ECp=2ECe-50%: for more tolerant crops, when high leaching efficiencies are to be expected or when somewhat lower salinity control is acceptable.

Figura 11.5 Perfil de Salinidad de una zona de raíces lavada (FAO 1985)

Ejemplo: ECi=1.2 dS/m, ECp=12.0 dS/m (=2×ECe-50% for the crop to be grown); Ic=6.0 mm/d. In Eq. 11.6: LR=[ECi/(ECp−ECi)] Ic=[1.2/(12.0–1.2)] 6.0=0.7 mm/d; I=IC+LR=6.0+0.7=6.7 mm/d; LF=(ECi/ECP)=(LR/I)=(0.7/6.7)=0.10 (or 10%).

In this example the salt balance in the rootzone is maintained when a minimum of 10% of the infiltrated irrigation goes into deep percolation. A deep percolation loss of this order or even higher is quite common under surface irrigation so that there is generally no need to over-irrigate to satisfy the leaching requirement.

Eq. 11.6 may straightforwardly be used to calculate the average leaching requirement during a rainless period. During the rainy season consideration also has to be given to the deep percolation from rainfall, which also contributes to the leaching of salts from the rootzone. The example in Box 11.1 illustrates both cases.

-


147

Cuadro 11.1 Ejemplos de calculos de requerimiento de lavado

Data

Annual crop evapotranspiration ET=1655 mm

Total annual rainfall R=695 mm

Part of the rainfall going into deep percolation LRr=140 mm

Part of annual irrigation going into deep percolation LRi−unknown

Capillary rise from groundwater G=0 mm

Irrigation water ECi=1.75 dS/m

Saturation extract at 25% yield reduction ECe=3.5 dS/m

Deep percolation water (ECp=2ECe-25%) ECp=7.0 dS/m

Calculos

Net rainfall utilised by crop Rc=R–LRr→ Rc=555 mm

Net crop irrigation requirement Ic=ET—Rc→ Ic=1100 mm

Salt influx by irrigation: (Ic+LRi)ECi=(1100+LRi)1.75=1925+1.75 LRi units

Salt efflux by deep percolation: LR ECp=(LRi+LRr)ECp=(LRi+140)7=7LRi+980 units

Salt balance (salt influx=salt efflux)

1925+1.75 LRi=7 LRi+980→LRi=180 mm

Total irrigation requirement I=Ic+LRi=1100+180=1280 mm

LF=180/1280−0.14 (14%)

Si no hubiera habido lluvias, el porcentaje de lavado tendrían que ser mucho mayor, ya que en este caso tendría que satisfacer el siguiente balance:

IECi = LRi ECp → (1 655+LRi)1.75 = 7 LRi → LRi=552 mm

I=Ic+LRi=1655+552=2207 mm; LF=552/2207=0.25 (25%)

7.4 Calidad del Agua de Riego Los riesgos de salinización / sodificación que presenta el agua de riego puede razonablemente predecirse sobre la base del contenido y los tipos de las sales en el agua aplicada. Desarrollo del riego tanto, no debe llevarse a cabo sin un análisis previo y la evaluación del agua de riego a utilizar. Tres peligros se distinguen, cada una correspondiente a uno de los tres tipos de problemas de salinidad identificados en la sección 10.2: • Peligro de salinidad: el peligro del riego aplicado causando salinización de los

suelos y problemas relacionados con la osmótica • Peligro de sodicidad: lo mismo con respecto a la sodificación del suelo y

problemas de dispersión • Peligro de toxicidad: lo mismo con respecto a los problemas de toxicidad.

7.4.1 Evaluación de la calidad de agua de riego segun la FAO


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Una serie de sistemas de evaluación de la calidad de agua de riego se han desarrollado. El sistema desarrollado por el Laboratorio de Salinidad EE.UU. (1954) ha sido ampliamente utilizado, pero ahora ha sido mayormente reemplazados por un nuevo sistema desarrollado por la FAO (1985), que incorpora resultados de las investigaciones más recientes y experiencias (para las actualizaciones, véase FAO, 1997 y 2002). Los criterios adoptados generalmente se aplican a los cultivos en condiciones de explotación normales. Para la mayoría de los cultivos, salinidades considerablemente más alta pueden ser permitidas cuando practicas especiales de manejo de suelo y el agua se están cumpliendo. Algunos cultivos forrajeros tolerantes incluso se han cultivado con éxito con la salinidad del agua de riego de hasta EC = 10-20 dS / m (que es alrededor de un tercio a la mitad de la salinidad del agua de mar). Plantas halófitas muy tolerantes abundan en la naturaleza, pero algunos de estos son cultivos de granja atractivos. Investigación para mejorar la tolerancia a la sal a través de la reproduccion se realiza en varios países, lo que puede conducir a nuevos métodos de control de salinidad.

7.4.1.1 Peligro de Salinidad Este peligro puede ser diagnosticado sobre la base del valor CE del agua de riego. La relevancia de este parámetro se debe al hecho de que existe una fuerte relación causal entre la CEe del suelo y el ECi del agua de riego aplicada (Cuadro 11.2). Las relaciones indicadas se basan en observaciones de campo, investigación en lisímetro y el modelado. Los valores CEe representan el promedio ponderado CEe sobre la zona de raíces principal, teniendo en cuenta la reducción normal de la densidad de las raíces y la absorción de agua con la profundidad. Pocos cultivos experimentan problemas osmóticos, siempre y cuando CEe < 2 dS / m. En base a este límite, las relaciones en la figura 11.7 sugieren que para un porcentaje bajo de manera conservadora de lixiviación del 10%, el límite seguro para el riesgo de salinidad del agua de riego es de alrededor de ECi = 0,7-0,8 dS / m. Las directrices de la FAO (Tabla 11.1) se basan en régimen de riego, con un porcentaje de lixiviación de 15% (para CEe ~ 2-2 ½ ECi). Esto demuestra que el límite inferior de la FAO de ECi = 0,7 dS / m es del mismo orden que derivado arriba.


149

Figura 11.7 relaciones de salinidad para tierras irrigadas en la zona (semi) árida

7.4.1.2 Peligro de Sodicidad En las directrices de la FAO, el riesgo de sodicidad se evalúa sobre la base de los siguientes dos parámetros principales de diagnóstico (Tabla 11.1): • El valor ICe: se utiliza para evaluar si el agua de riego no es muy puro, ya que puede aumentar la dispersión del suelo (sección 10.2.3), el agua pueden también sobre lixiviar los suelos (lixiviación excesiva de sales semi solubles de Ca y Mg) • El SARi: la importancia de este parámetro se debe a la estrecha correlación entre SARi → SARe → ESP del suelo. Como puede observarse, los valores más altos de SARi puede tolerar la más alta concentración de sal (valor ECi) del agua de riego. La relación entre el SARe y el ESP correspondiente de la tierra se muestra en la figura 10.3. En un porcentaje bajo de lixiviación de 10%, el extracto de saturación sería de alrededor de 2,5 a 3,0 veces más concentrado que el de riego (Figura 11.7), por lo que SARe = √ (factor de concentración) SARi = √ (2,5 a 3,0) SARi =1,6 - 1,7 SARi.


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Esta nueva propuesta es menos restrictiva en cuanto al contenido salino, en relación a los problemas de salinidad. Incorpora el concepto de interacción RAS – CE para evaluar el peligro de sodicidad e incorpora los métodos de riego en la evaluación de los problemas de toxicidad en aquellos iones que pueden ser absorbidos por las plantas a través de sus hojas

Tabla 11.1 Pautas para la evaluación de calidad del agua de riego (FAO 1985)

Grado de restriccion en el uso

Problema Potencial de Riego Ninguno Leve a Moderado Severo

Salinidad (afecta disponibilidad de agua cultivos)

ECi en dS/m <0.7 0.7–3.0 >3.0

TDS en mg/l <450 450–2000 >2000

Sodicidad (afecta la tasa de infiltración de agua en el suelo, evaluado usando el ECi y de SARi en conjunto)


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SARi =0–3 y ECi = >0.7 0.7–0.2 0.2

=3–6 = >1.2 1.2–0.3 <0.3

=6–12 = >1.9 1.9–0.5 <0.5

=12–20 = >2.9 2.9–1.3 <1.3

=20–40 = >5.0 5.0–2.9 <2.9

Toxicidad de iones específicos (afecta a cultivos sensibles);

Sodio

Riego Superficial (SARi) <3 3–9 >9

Riego por Aspersion (Na) en meq/l <3 >3

Cloro (Cl en meq/l)

Riego Superficial <4 4–10 >10

Riego por Aspersion <3 >3

Boro (B en mg/l) <0.7 0.7–3.0 >3.0

Ejemplo: agua de riego con Na = 30, Ca= 6 y Mg = 2 meq / l; fracción de lavado = 0,20 (20%) se corresponde con un factor de concentración promedio de 1,6 (Figura 11.7). Cálculo: SARi = 30 / √ [(6 +2) / 2] = 15; SARe = √ (1,6) SARi = 1,26 × 15 = 19 → ESP = 22 (lectura de la figura 10.3). Para los porcentajes más altos de lixiviación SARe ~ SARi y por lo tanto bajo estas condiciones, el ESP se puede determinar sin error significativo de la figura 10.3 con la SARi directamente (sin necesidad de conversión a SARe). Carbonato de Sodio Residual (RSC) La relación entre el SAR y ESP se complica por la naturaleza semi-solubles de sales Ca y Mg en el suelo. Cuando la concentración (HCO3 + CO3) del agua de riego es alto, Ca y Mg pueden precipitar en forma de carbonatos (por ejemplo, entre riegos cuando la tierra se seca y los límites de solubilidad de la relación Ca / Mg-carbonatos exceden). Ca y Mg también pueden entrar en solución cuando la solución del suelo se diluye. Este aspecto en particular del peligro de sodicidad se puede diagnosticar por lo que se denomina el parámetro de carbonato de sodio residual (RSC) del agua de riego (Eaton 1950, todas las concentraciones en meq / l):

)()( 33+++−−− +−+= MgCaCOHCORSC

Ejemplo: Agua de riego con HCO3 = 5,2, CO3 = 0.2, Ca = 3,3 y Mg = 1,6 mEq / l, por lo que RSC = (5.2 + 0.2) - (3,3 + 1,6) = 0,5 mEq / l. Criterios:


152

RSC <1.25 mEq / L : No se esperan problemas RSC = 1.25-2.50 meq / l : Se esperan problemas moderados RSC> 2,50 meq / l : Se esperan graves problemas. El parámetro de RSC sigue siendo ampliamente considerado como un parámetro bastante sólido para evaluar el riesgo de precipitación de Ca (van Hoorn, 2002).

7.4.1.3 Peligro de Toxicidad Como se describe en la sección 10.2.2, el diagnóstico de la toxicidad general causada por la alta salinidad está cubierto indirectamente por el parámetro de la ECe (y la correspondiente valoración del agua de riego es por lo tanto cubierto por el parámetro ECi). Del mismo modo, el parámetro de SARi comprende la evaluación de toxicidad por Na. En las directrices de la FAO cierta toxicidad también es valorado de forma explícita (Tabla 11.1):

• Toxicidad por Na: diagnóstico por el parámetro de SARi y la concentración de Na; criterios que se aplican a los cultivos sensibles solamente (plantas leñosas perennes)

• Toxicidad por Cl: diagnóstico por la concentración de Cl del agua de riego; criterios que se aplican a los cultivos sensibles solamente (plantas leñosas perennes). Agua, que presenta un peligro de toxicidad Cl, por lo general también supera con creces los límites del peligro de salinidad

• Toxicidad B: diagnóstico por la concentración B del agua de riego; criterios que se aplican principalmente a los cultivos sensibles solamente.

EJEMPLOS DE EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DE RIEGO La aplicación de los métodos de valoración y criterios mencionados se ilustra en la evaluación de los tres diferentes tipos de agua de riego que se caracteriza por los resultados del análisis en la Tabla 11.2 Tabla 11.2 Resultados de los análisis de tres aguas de riego Parametro Medido Quimico Muestras 1 Muestras 2 Muestras 3 muestras 4

ECi (dS/m) 0.3 2.1 2.0 3.2

pH 7.8 7.6 8.9 9.3

Cationes (meq/l) Ca 1.5 2.3 2.2 2.6

Mg 0.6 2.1 2.6 2.2

Na 0.7 19.1 15.2 25.0

Aniones (meq/l) Cl 0.5 5.7 6.7 5.0

SO4 0.7 7.0 2.8 10.2

CO3 nil nil 1.8 3.2

HCO3 1.7 6.6 8.2 8.8

SARi 0.7 12.9 9.8 16.1

RSC (meq/l) −0.4 2.2 5.2 7.2


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Las cuatro muestras son del NO India. La muestra 1 es un agua de canal (extraída del sistema de reservorio Bakra), las muestras de 2 y 3 son agua de pozos entubados (muestra 2 de Punjab, muestra 3 de Haryana) mientras que la muestra 4 es el agua de un drenaje grande en Haryana, que en parte esta siendo reutilizada. Agua 1 (agua de canal): el agua del canal es, obviamente, de buena calidad para el riego, lo que no representa ningún problema serio en absoluto. Con esta agua, los niveles de salinidad del suelo, incluso a un mínimo de lixiviación, se mantendrá muy por debajo de los niveles de tolerancia de los cultivos, incluso más sensibles, mientras que el agua de drenaje en general, pueden ser fácilmente reutilizados. Aguas 2 y 3 (pozo tubular de agua): los niveles de salinidad son algo más altos tanto sólo debe ser de algún interés, bajo condiciones donde haya un mínimo de lixiviación (menores de riego, la escasez de precipitaciones, capacidad de drenaje pobre), de lo contrario, no plantean ningún problema. Los riesgos de sodicidad son de mayor preocupación, especialmente en el largo plazo. Los valores SAR moderadamente alta parece ser bastante aceptable en vista de los valores predominantes de la CE y que se espera que las concentraciones de solutos del suelo. El alto valor de RSC de agua 3, sin embargo, indica que existe un riesgo considerable de que parte de los cationes de Ca se precipitan sobre el tiempo de la solución del suelo, que los valores de SAR de la solución del suelo y los valores relacionados con el ESP se incrementará y que la la estructura del suelo de la capa superior del suelo se deteriora. El peligro de sodicidad diagnóstico puede ser minimizado mediante el uso de esta agua sólo en los suelos más calcáreos y / o utilizar en conjunción con el agua del canal. Tanto en aguas de pozos entubados, obviamente, también plantean riesgos de Na y Cl toxicidad, especialmente el primero. El agua no debe ser utilizada para el riego por aspersión, mientras que estas aguas también no se debe utilizar de forma no diluida para el riego de superficie de cultivos sensibles. Agua 4 (agua de drenaje): todas las anteriores restricciones sobre el uso de riego de las dos aguas de pozos entubados, se aplican a un grado aún mayor a la reutilización de esta agua de drenaje. El agua puede ser utilizada para los cultivos tolerantes y con lixiviación over-irrigation/good suficiente también para los cultivos que son más sensibles. Uso limitado durante la temporada de lluvias en las zonas altas las precipitaciones también debería ser posible. Incluso entonces, los cultivos adaptados y las prácticas de riego deben ser seguidas (por ejemplo, intervalos, riego cortas para evitar que la solución del suelo y diluida). En los demás casos, el agua sólo puede ser usado en conjunto, o mezclarse con agua de mejor calidad.


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7.4.2 Clasificacion según normas de Riverside Propuesta de Richard (1951) - Laboratorio de Salinidad de Riverside USDA - Clasificación por conductividad


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6.- ANEXO - CLASIFICACION DE AGUAS PARA RIEGO - Agua de baja salinidad (C1): Puede usarse para riego de la mayor parte de los cultivos, en casi cualquier tipo de suelo con muy poca probabilidad de que se desarrolle salinidad. Se necesita algún lavado, pero éste se logra en condiciones normales de riego, excepto en aguas de muy baja permeabilidad. - Agua de salinidad media (C2): Puede usarse siempre y cuando haya un grado moderado de lavado. En casi todos los casos y sin necesidad de prácticas especiales de control de la salinidad, se pueden producir las plantas moderadamente tolerantes a las sales. - Agua altamente salina (C3): No puede usarse en suelos cuyo drenaje sea deficiente. Aún con drenaje adecuado se pueden necesitar prácticas especiales en control de la salinidad, debiendo, por lo tanto, seleccionar unicamente aquellas especies vegetales muy tolerantes a sales.


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- Agua muy altamente salina (C4): No es apropiada para riego bajo condiciones ordinarias, pero pueden usarse ocasionalmente en circunstancias muy especiales. Los suelos deben ser permeables, el drenje adecuado, debiendo aplicarse un excesos de agua para lograr un buen lavado, en este caso se deben seleccionar cultivos altamente tolerante a sales. Clasificación por sodicidad La clasificación de las aguas de riego con respecto a la RAS, se basa primordialmente en el efecto que tiene el sodio intercambiable sobre la condición física del suelo. No obstante, las plantas sensibles a este elemento pueden sufrir daños a consecuencias de la acumulación del sodio en sus tejidos cuando los valores del sodio intercambiable son más bajos que los necesarios para deteriorar la condición física dels suelo. - Agua baja en sodio (S1): Puede usarse para el riego en la mayoría de los suelos con poca probabilidad de alcanzar niveles peligrosos de sodio intercambiable. No obstante, los cultivos sencibles, como algunos frutales, pueden acumular cantidades perjudiciales de sodio. - Agua media en sodio (S2); En suelos de textura fina el sodio representa un peligro considerable, más aún si dichos suelos poseen una alta capacidad de intercambio de cationes, especialmente bajo condiciones de lavado deficiente, a menos que el suelo contenga yeso. Estas aguas solo pueden usarse en suelos de textura gruesa o en suelos orgánicos de buena permeabilidad. - Agua alta en sodio (S3); Puede producir niveles tóxicos de sodio intercambiables en la maor parte de los suelos, por lo que estos necesitan prácticas especiales de manejo, buen drenaje, fácil lavado y adiciones de materia orgánica. Los suelos yesíferos pueden no desarrollar niveles perjudiciales de sodio intercambiable cuando se riegan con este tipo de aguas. Puede requerirse el uso de mejoradores químicos para substituir el sodio intercambiable; sin embargo, tales mejoradores no serán económicos si se usan aguas de muy alta salinidad. - Agua muy alta en sodio (S4): Es inadecuado para riego, excepto, cuando su salinidad es baja o media y cuando la disolución del calcio del suelo y/o la aplicación de yeso u otros mejoradores no hace antieconómico el empleo de estas clases de agua. Ocasionalmente, el agua de riego puede disolver un buen porcentaje de calcio en los suelos calcáreos, de tal manera que disminuye notablemente el peligro por sodio, condición que deberá tenerse muy en cuenta en el caso de usar aguas de las clases C1S3 y C1S4, Tratándose de suelos calcáreos de pH alto o de suelos que no son calcáreos, el estado del sodio de las aguas C1S3; C1S4 y C2S4 se puede modificar ventajosamente agregando yeso al agua. De igual manera, es conveniente aplicar yeso al suelo periódicamente cuando éste vaya a regarse con aguas C2S3 y C3S2.


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8. Criterios de Diseño de Sistemas de Drenaje

8.1 Criterios de Drenaje Agrícola ‘Los Criterios de Drenaje Agricola’ pueden ser definidos como un criterio especificando los niveles mas altos permisibles del nivel freatico, sobre o en el suelo, así que los beneficios agricolas no sean reducidos por problemas de anegamientos. Si los niveles de agua son mas altos que los especificados por los criterios, un sistema de drenaje puede ser instalado, o un sistema instalado previamente puede ser mejorado, asi que el waterlogging es eliminado. So, en el otro lado, un sistema de drenaje ha bajado niveles de agua a un profundidad mas que la especificada por los criterios, podemos hablar de un sistema sobre diseñado. Ademas en drenaje Agricola, tambien empleamos criterios drenaje tecnico (para minimizar los costos de instalacion y operacion del sistema, manteniendo los criterios agricolas), criterios de drenaje ambiental (para minimizar el daño ambiental), y criterios de drenaje economico (para maximizar los beneficios netos). Una correcta evaluacion de criterios de drenaje Agricola requiere:

- Un conocimiento de varios tipos posibles de sistemas de drenaje; - Un indice apropiado para el estado de anegamiento; - Una adecuada descripcion de objetivos agricolas; - Informacion de las relaciones entre el indice y objetivos.

8.2 Tipos y Aplicaciones de Sistemas de Drenaje Agr ícola

8.2.1 Definiciones “Sistemas de Drenaje Agricola” son sistemas que hacen más fácil para que el agua fluya de la tierra, por lo que la agricultura puede beneficiarse de la reducción de los niveles de agua posteriormente. Los sistemas se pueden hacer para facilitar el flujo de agua sobre la superficie del suelo oa través del subsuelo, lo que lleva a una distinción entre "los sistemas de drenaje superficial" y "sistemas de drenaje subterráneo". Ambos tipos de sistemas tienen un "sistema de drenaje de campo" o interno, lo que disminuye el nivel del agua en el campo, y "sistema principal de drenaje" o externo, lo que transporta el agua a la salida. Un sistema de drenaje de la superficie se aplica cuando la inundación se produce en la superficie del suelo, mientras que un sistema de drenaje subterráneo se aplica cuando se produce el encharcamiento en el suelo. Aunque los sistemas de drenaje subterráneo a veces se instala para reducir el anegamiento de superficie y viceversa, esta práctica no es recomendable, con algunas excepciones, como se ilustra en la Sección 17.2.3. Bajo ciertas condiciones, la superficie combinada / sistemas de drenaje subterráneo son factibles (Capítulo 21). Los sistemas agrícolas de drenaje no conducen necesariamente a un aumento de las descargas máximas. Aunque esto puede ocurrir, especialmente con el drenaje superficial, la reducción de anegamiento puede llevar a un aumento en el almacenamiento de agua sobre o en el suelo durante los períodos pico de la lluvia, de


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modo que las crecidas son, en efecto reducido (Oosterbaan 1992). Un ingeniero de drenaje debe velar por que el flujo de agua del suelo se presenta como constante como sea posible en lugar de repente. Sometimes (e.g. in irrigated, ponded rice fields), a form of temporary drainage is required whereby the drainage system is only allowed to function on certain occasions (e.g. during the harvest period). If allowed to function continuously, excessive quantities of water would be lost. Such a system is therefore called a ‘checked drainage system’. More usually, however, the drainage system should function as regularly as possible to prevent undue waterlogging at any time. We then speak of a ‘regular drainage system’. (In literature, this is sometimes also called ‘relief drainage’.) The above definition of agricultural drainage systems excludes drainage systems for cities, highways, sports fields, and other non-agricultural purposes. Further, it excludes natural drainage systems. Agricultural drainage systems are artificial and are only installed when the natural drainage is insufficient for a satisfactory form of agriculture. The definition also excludes such reclamation measures as ‘hydraulic erosion control’ (which aims rather at reducing the flow of water from the soil than enhancing it) and ‘flood protection’ (which does not enhance the flow of water from the soil, but aims rather at containing the water in watercourses). Nevertheless, flood protection and drainage systems are often simultaneous components of land reclamation projects. The reason is that installing drainage systems without flood protection in areas prone to inundation would be a waste of time and money. Areas with both flood protection and drainage systems are often called ‘polders’. Sometimes, a flood-control project alone suffices to cure the waterlogging. Drainage systems are then not required. In literature, one encounters the term ‘interceptor drainage’. The interception and diversion of surface waters with catch canals is common practice in water-management projects, but it is a flood-protection measure rather than a drainage measure. The interception of groundwater flowing laterally through the soil is usually not effective, because of the low velocities of groundwater flow (seldom more than 1 m/d and often much less). In the presence of a shallow impermeable layer, subsurface interceptor drains catch very little water and generally do not relieve waterlogging in extensive agricultural areas. In the presence of a deep impermeable layer, the total flow of groundwater can be considerable, but then it passes almost entirely underneath the subsurface interceptor drain. The upward seepage of groundwater cannot be intercepted by a single interceptor drain: here, one needs a regular drainage system.

8.2.2 Clasificacion En un sistema de drenaje se puede distinguir: drenes parcelarios o laterales, colectores y troncales, ver Figura 4.1.

b) Drenes Laterales o parcelarios.- Son generalmente drenes parcelarios cuya función es disminuir o bajar el agua (el nivel freático), desembocando en los drenes colectores

c) Drenes Colectores.- Cuya función es recepcionar el agua de los drenes parcelarios o laterales y llevarlo hacia los drenes principales o troncales

d) Drenes Troncales.- Su función es recepcionar el agua de los drenes colectores y llevan el agua fuera del área problema.


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Figura 8.1: Principales componentes de un sistema de Drenaje La figura 17.1 clasifica los varios tipos de sistemas de drenaje. Muestra los sistemas de drenaje de campo (o internos) y los sistemas principales (o externos). La función de los sistemas de drenaje de campo es para controlar el nivel freático, mientras que la función del sistema de drenaje principal es colectar, transportar y disponer el agua a través de una desembocadura o salida. En la figura, los sistemas de drenaje de campo son diferenciados en sistemas de drenaje superficial y subsuperficial. Los sistemas superficiales son diferenciados en sistemas regulares y sistemas de drenaje sistemas regulares y sistemas checked como se ha mencionado en la sección 17.1 The regular surface drainage systems, which start functioning as soon as there is an excess of rainfall or irrigation, operate entirely by gravity. They consist of reshaped or reformed land surfaces (Chapter 20) and can be divided into: - Bedding systems, used in flat lands for crops other than rice; - Graded systems, used in sloping land for crops other than rice, which may or may not have ridges and furrows.

Drenaje Subterraneo

Drenaje Superficial

Sistema Principal

Punto de Salida

Sistema Parcelario

Canal Primario

Salida Bombeo

Salida Gravedad

Canales bajo orden

Dren Tubo Zanja

Profunda

Zanja Superficial

Nivel Freatico

Drenaje Topo

Dren Topo

Flujo Overland

+ Flujo Interno


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Figura 17.1: Clasificacion de los tipos de sistemas de drenaje


162

8.2.3 Aplicaciones


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8.3 Analisis de Sistemas de Drenaje Agricola

8.3.1 Objetivos y Efectos Los objetivos de los sistemas de drenaje agrícola son para reclaim y conservar tierras para agricultura, para incrementar rendimientos de cultivo, permitir labranza de cultivos mas valiosos, permitir la agricultura de mas de un cultivo en un año, y/o reducir los costos de producción de cultivo en otros casos de tierras anegadas. Tales objetivos son encontrados a través de dos efectos directos y un número grande de efectos indirectos.


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Los efectos directos de la instalación de un sistema de drenaje en tierras anegadas son (Figura 17.2): - Una reducción en la cantidad promedio de agua almacenada en o en el suelo, induciendo condiciones de suelo mas secos y reduciendo el anegamiento - Una descarga de agua a través del sistema Los efectos directos son principalmente determinados por las condiciones hidrológicas, las propiedades hidráulicas del suelo, y las características físicas del sistema de drenaje. Los efectos directos provocan una serie de efectos indirectos. Estos son determinados por el clima, suelo, cultivo, practicas agrícolas, y las condiciones sociales, económicas y ambientales. La evaluacion de los efectos indirectos (including the extent to which the objectives are met) es por consiguiente mucho mas dificil, pero no menos importante, que evaluar los efectos directos.

Figura 17.2 Diagrama de los efectos del drenaje en la agricultura y evaluación economica


165

9. Drenaje Urbano

9.1 Introduccion El Drenaje Urbano de aguas de lluvia está conformado por el conjunto de colectores y canales necesarios para evacuar la escorrentía superficial producida por la lluvia. Inicialmente el agua es captada a través de los sumideros en calles y las conexiones domiciliarias, y llevada a una red de tuberías que van ampliando su sección a medida que aumenta el área de drenaje. En los últimos años, se ha realizado un notable avance en el conocimiento de los fenomenos ligados a la cantidad (caudales), también se ha impulsado el estudio de los fenomenos ligados a la calidad (carga contaminante) del drenaje urbano. El interes de este nuevo enfoque ambientalista del estudio del drenaje urbano es motivado por los graves problemas de contaminacion que pueden crear las aguas de escorrentia urbana que son vertidas por la red de drenaje a un determinado medio receptor (normalmente rio, lago o mar). Desarrollo histórico de la Hidrología Urbana � Desarrollo urbano ligado al crecimiento mundial (área urbana 440 h / km2) � Multiplicación de la población urbana � Aumento de la superficie de las ciudades, con una subida de la impermeabilización del terreno Población urbana � Casi un 50% de la población mundial vive en zona urbana � Se ha incrementado en un 80% en los últimos 20 años � Tendencia hacia un aumento en los próximos años � Datos aún mayores en España: más del 75% vive en áreas urbanas

9.2 Problema general del drenaje � Dividido en 4 subproblemas �Cuánta agua tenemos que evacuar �Introducir el agua en la red �Propagar los caudales a través de la red �Verter a un medio receptor

9.3 Hidrología Urbana � Aplicación de conceptos de Hidrología convencional al medio urbano � Cuencas mucho más pequeñas � Escala espacial: Hectárea frente a Km2 � Escala temporal: minutos frentes a horas Cuencas urbanas � Pequeño tamaño en comparación


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� Gran valor de los bienes concentrados en pequeño espacio Cambios hidrológicos derivados del proceso de urbanización � Aumento de la superficie impermeable (valores del 80 ó 90% ) � Reducción de la infiltración � Aumento del volumen de escorrentía � Cambio de los materiales de la cubierta de la cuenca (menos rugosos) � Aumento de la velocidad de circulación del agua en superficie � Aumento del caudal punta de respuesta � Reducción del tiempo al pico Cambios en el hidrograma

Efectos de la urbanización Aumento de impermeabilidad del 55 al 75% Aumento de caudal máximo de 4 a 8 m3/s


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Caudales de Diseño � Todavía se usa el método racional, aunque a veces se abusa del mismo � Método de tipo “a mano” � Poco desarrollo de otras metodologías más aproximadas a la realidad, que precisan un modelo de simulación de cuenca y red (SWMM, INFOWORKS, MIKE-URBAN) � Modelos de depósito � Onda Cinemática Caudal de proyecto � Concepto fijado en base a datos de lluvia: Hidrograma de proyecto � Periodo de retorno: basado en una relación costo/beneficio

Captación de Escorrentía Concepto de “Sistema de captación” Carencia de datos de los fabricantes – Disposición actual a estima o por criterios de densidad espacial – Estado desconocido de la capacidad de captación por calles o incluso a nivel de ciudad – Circulación del agua por la calle, en algunos casos sin control


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9.4 Hidráulica � El ámbito de trabajo en general peor tratado � Abuso del cálculo en régimen permanente uniforme � Posibilidad de cálculo con curvas de remanso � Uso de cálculo en régimen no permanente � Uso de modelos de dominio público: SWMM 5.0 – HEC-HMS • Capacidad Usualmente si es con tubo d/D =0.75 • Velocidad de Auto limpieza. (i.e. 0.7 m/s) • Tamaño de Tuberia o Seccion Minimo • Pendiente Minima. 0.5% EPA SWMM 5 – Transito Cinematico • Non surcharged flow • Simulates dry weather flow pattern • Includes drain infiltration • Estimates scour and deposition of sediments • Pollutant routing through dendritic network

9.5 Vertido a medio receptor. Problemas medioambientales � Algunos países están preocupados por el problema de los vertidos desde las redes a los ríos o costas en tiempo de lluvia

� CSO Combined Sewer Overflows � Ciclo a seguir: acumulación de contaminantes, lavado y arrastre, vertido, con medidas de campo Patrones de Flujo • Directamente relacionada al uso de agua local de la comunidad. • Relativo a la ubicacion. Upstream will be like pulses due to flushes. Downstream will be more consistent flow.


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Medicion de Patrones de Flujo

Patron de flujo en tiempo seco

Patron de calidad de agua


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Flujo Domestico • Poblacion • Consumo Per capita

• Infiltracion. Usualmente un % del flujo en tiempo seco (i.e. 10%)

9.6 Tipo de red a considerar � Unitaria � Separativa � Doblemente separativa � Red unitaria, más económica (Una red para todos los caudales) � Red separativa, mejor desde un análisis medioambiental. Necesidad de garantizar que la red siga siendo separativa


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9.7 Consideraciones generales de Diseño � Elección de un periodo de retorno (Opción entre seguridad / riesgo) Los valores usuales oscilan entre 1 y 25 años. Un valor habitual suele ser 10 años � Criterio de cálculo hidráulico del conducto: – Lámina libre – Flujo en presión sin salida de agua al exterior Elementos de infraestructura � Colectores de pluviales Diseño en lámina libre Diseño en presión

Diseño en lámina libre � En ocasiones puede suponer grandes dimensiones (zonas de poca pendiente) � Trazados poco flexibles (flujo de tipo gravitatorio) � Problemas de interacción con otros servicios Diseño en presión � Mayor flexibilidad de trazado � Línea de presión por debajo del terreno � Menor sección a costa de mayores velocidades � Colectores expresos para funcionar en presión Colector directo en presión � No conectarlo con la red existente. Su línea piezométrica puede estar por encima del terreno


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Velocidades límite � Asegurar la autolimpieza del conducto (evitar el depósito de materiales sólidos) � Evitar daños por abrasión del material que forma las paredes del conducto � La velocidad del agua es un valor dependiente del caudal, pendiente, rugosidad y forma de la sección, además de las condiciones de contorno Velocidad máxima � Para caudales máximos, debe evitarse el deterioro del material (incluyendo juntas de construcción) � Velocidades de hasta 12 m/s no han producido daños (aguas limpias) � Para aguas con partículas sólidas, no sobrepasar valores de 6 a 8 m/s para caudales máximos ocasionales � No superar 3 m/s para caudales de aguas residuales Velocidades mínimas � Limitar la deposición de partículas sólidas � Evitar la formación de gases como el SH2 � Valores de velocidad mínima: de 0.6 a 1 m/s � Verificación en términos de tensión mínima de fondo para garantizar el arrastre de sólidos Efecto de la forma de la sección � Si hay problemas de bajas velocidades con la sección circular, un ovoide permite alcanzar mayores velocidades � Variaciones debidas a la geometría de la sección transversal

Pérdidas localizadas de energía � Normalmente no se incluyen en el cálculo � Muy importantes en caso de cambios de geometría (pozos) � Cuidado especial en ensanchamientos


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K 0.06 a 0.1 contracción K 0.20 a 0.3 expansión Resistencia al flujo � Empleo habitual de la expresión de Manning � Uso de otras expresiones: Chezy o Colebrook � En general se usan valores demasiado bajos � Los valores habituales del coef. de rugosidad de Manning medidos en colectores están entre 0.015 a 0.017 Uniones de colectores � Problemas en la incorporación de caudales � Diseñar las obras para que se produzcan las mínimas variaciones de velocidad antes y después de la entrada de caudal Diseño en lámina libre � Cálculo como una red de canales � Definir resguardos mínimos � Secciones tipo cajón: resguardo 0.2 m � Secciones abovedadas o circulares: 0.1 m por debajo del calado de máxima capacidad de desagüe Tipos de materiales � Seleccionar el más económico posible, de acuerdo con las legislaciones de cada país � Algunos códigos oficiales prohíben algún tipo de material (fibrocemento) � Empleo de materiales vítreos o cerámicos en caso de aguas agresivas, que puedan corroer el material Colocacion de los Drenes The sanitary pipes are placed down the middle of the street and, in accordance with City of Guelph Standards, will not fall outside the curb boundaries of any road. This ensures that maintenance and upgrades to the system do not cause any excavation of building lots and in case of leakage, no contamination of water supply pipes will occur. Generally, sanitary sewer services are buried at least 2 m below ground. City of Guelph specifications require the top of pipes to be 2.7 m below ground.


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10. Drenaje en Obras Viales

10.1 Introduccion Sabemos que los excesos de agua ya sea superficial o de infiltración alcanza la estructura de vias, si no se coloca de los elementos necesarios para transportarla o desviarla, puede ocasionar la inundación de la calzada, el debilitamiento de la estructura de la carretera y la erosión o el derrumbe de los taludes, con graves perjuicios para el usuario de la vía y para la economía de la nación. La remoción de las aguas superficiales, ya sea que éstas caigan directamente sobre la plataforma de la vía o sobre las cuencas tributarias de las corrientes que debe cruzar la carretera, se logra a través de las obras de drenaje superficial; la remoción de las aguas subterráneas, mediante los subdrenajes. Numerosos factores deben hacerse intervenir en el estudio de los drenajes de una carretera: la Topografía, la geología de la zona, la Hidrología, la Hidraulica, el Diseño Estructural, etc. La función de poder mitigar los problemas de drenaje es cumplida por las alcantarillas, los puentes, por las zanjas, cunetas y desagües pluviales.

10.2 Drenaje Superficial Drenaje del agua que escurre superficialmente es: �Función del bombeo y del peralte �La eliminación del agua de la superficie de rodadura se efectúa por medio del bombeo en las secciones en tangente y del peralte en las curvas horizontales, provocando el escurrimiento de las aguas hacia las cunetas.

Pendiente longitudinal de la rasante �La rasante será proyectada con pendiente longitudinal no menor de 0.5 %, evitándose los tramos horizontales con el fin de facilitar el movimiento del agua de las cunetas hacia sus aliviaderos o alcantarillas. Salvo, que la rasante de la cuneta pueda proyectarse con la pendiente conveniente. �Desagüe sobre los taludes en relleno o terraplén


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�Si la plataforma de la carretera está en un terraplén o relleno y el talud es erosionable, las aguas que escurren sobre la calzada deberán ser encausadas por los dos lados, de la misma forma que el desagüe en sitios preparados especialmente protegidas para evitar la erosión de los taludes. Drenaje del agua que escurre superficialmente: �Desagüe sobre los taludes en relleno o terraplén

Cunetas: �Las cunetas preferentemente serán de sección triangular y se proyectarán para todos los tramos al pie de los taludes de corte. �Sus dimensiones serán fijadas de acuerdo a las condiciones pluviales, siendo las dimensiones mínimas las siguientes:

En región seca o poco lluviosa la longitud de las cunetas será de 250 m. como máximo. Las longitudes de recorridos mayores deberán justificarse técnicamente. En región muy lluviosa se recomienda reducir esta longitud máxima a 200 m.


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Cunetas: �Revestimiento de las cunetas �Para evitar el deterioro del pavimento, las cunetas deberán ser revestidas. Dicho revestimiento será a base de mampostería de piedra, concreto u otro material adecuado.

Alcantarillas de paso y alcantarillas de alivio �Tipo y ubicación �El tipo de alcantarilla deberá de ser elegido en cada caso teniendo en cuenta el caudal a eliminarse, la naturaleza y la pendiente del cauce y el costo en relación con la disponibilidad de los materiales. �La cantidad y la ubicación deberán establecerse a fin de garantizar el funcionamiento del sistema de drenaje. En los puntos bajos del perfil longitudinal, debe proyectarse una alcantarilla de alivio. �Dimensiones mínimas �La dimensión mínima interna de las alcantarillas deberá ser la que permite su limpieza y conservación, adoptándose una sección circular mínima de 0.90 m (36”) de diámetro o su equivalente de otra sección.


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Badenes: �Los badenes son estructuras que sirven para evacuar las aguas que descienden por

quebradas cuyo nivel de fondo de cauce coincide con el nivel de la rasante. �Los badenes tienen como superficie de rodadura una capa de empedrado de protección

o tienen una superficie mejorada formada por una losa de concreto. �Evitar la colocación de badenes sobre depósitos de suelos de grano fino susceptibles a

la socavación, evitar también la adopción de diseños que no prevean la protección contra la socavación.

10.2.1 Diseño de cunetas: �Lo primero es determinar el área aferente o tributaria de la cuneta, para este paso son necesarios los planos de planta y perfil de la carretera. Mediante estos se establecerá el ancho del impluvium característico del sector.

�En el diseño de cunetas, el caudal hidrológico se iguala al caudal hidráulico, y así despejar la longitud de la cuneta L, que corresponde a la separación entre alcantarillas.

Donde: �C = Coeficiente de escorrentía que depende del tipo de terreno. �I = Intensidad de diseño (mm/hr). �Atributaria = Área tributaria o aferente de la cuneta (m2). �V = Velocidad media en la cuneta (m/s). �Acuneta = Área de la cuneta (m2). �B = Ancho del impluvium (m). �L = Longitud de la cuneta (m) �n = Coeficiente de rugosidad de Manning. �R = Radio hidráulico de la cuneta (m). �S = Pendiente longitudinal de la cuneta.


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10.2.2 Diseño de alcantarillas: �Para el diseño se consideran las relaciones entre los niveles en las secciones aguas arriba y aguas debajo de la alcantarilla, con los parámetros característicos de la alcantarilla (longitud, diámetro, rugosidad, pendiente, etc) se distinguen seis tipos diferentes de flujo en alcantarillas. �El caudal circulante por la alcantarilla siempre resulta de la aplicación de un balance de energía entre las secciones que funcionan como controles, dado que allí se pueden conocer todas las características del flujo.


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�Procedimiento de calculo: �En las expresiones anteriores el término CD corresponde a un coeficiente de descarga, que refleja las pérdidas localizadas en la alcantarilla. �Para los tipos de flujo 1 y 2 los valores del coeficiente de descarga se extraen de la Tabla 1; para el tipo 3 se extraen de la Tabla 2 y para los tipos 4, 5 y 6 se extraen de la Tabla 3.


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�La Tabla 4 permite calcular el caudal, el área y la conductividad hidráulica K, en condiciones de flujo crítico, para un tirante crítico dado, en canales circulares.

�Procedimiento de calculo: �Las figuras 4 y 5 auxilian para el cálculo del caudal circulante en los tipos 4 y 5 de flujo. �Observaciones: �En todos los casos las pérdidas por fricción se calculan como:

�Identificación del flujo: �Para el cálculo del caudal, primero se debe identificar el tipo de escurrimiento, luego calcular el mismo y finalmente verificar si se está en las condiciones consideradas. �El tipo de escurrimiento puede ser identificado con el siguiente diagrama:

Los tipos 1, 2 y 3 se calculan sin mayor dificultad, utilizando las tablas 1 y 2 y la figura 1.

10.2.3 Detalles sobre los Productos y su Fabricación CONDUCTOS: Tubos Circulares, Tubos Abovedados, Bóvedas ANTECEDENTES DE LOS CONDUCTOS DE ACERO CORRUGADO Desde hace mucho tiempo se sabe que la corrugación de una chapa plana aumenta su rigidez y su resistencia. Se han fabricado chapas de acero corrugado casi desde que se construyó la primera planta laminadora, en Inglaterra, en 1784. Pero su empleo aumentó rápidamente recién después de 1890, cuando comenzaron a abundar las chapas de acero producidas en masa. Las tuberías de metal corrugado se crearon en 1986, y en ese mismo año se usaron como alcantarillas. A medida que se obtenía mayor experiencia con esta tubería de paredes delgadas, peso ligero, y montada en planta, se la fue empleando en diámetros crecientes


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de hasta 2,50 m y aun mayores. La altura del recubrimiento también fue aumentando, y llegó a superar los 30 m. En 1931 se produjo un nuevo adelanto: las tuberías de chapas estructurales, con corrugaciones más grandes, para ser montadas en obra. Estas tuberías se han instalado con todo éxito, con diámetros y luces de bóvedas que superan los 7,50 m. PERFILES DE LOS CONDUCTOS El proyectista puede escoger entre una amplia variedad de perfiles transversales normales de conductos de acero corrugado y de chapas estructurales, como se muestra en la Tabla 1-1. La dimensión necesaria y el uso que se les dará pueden determinar el perfil elegido, con la resistencia y la economía como factores adicionales. Las Tablas 1-5 a 1-9 muestran las propiedades de los cortes transversales de las chapas y planchas de acero corrugado. Las medidas, pesos y otros detalles aparecen en las Tablas 1-10 a 1-24. Tabla 1-15 Detalles para el Diseño de Tuberías Abovedadas Corrugadas* - 67,7 x 12,7 mm (2 2/3 x 1/2 pulg)

pulg cm pulg cm pulg cm pies2 m2 pulg cm pulg cm pulg cm pulg cm15 38.1 18 45.7 11 27.9 1.1 0.102 4 1/2 11.43 3 1/2 8.89 ### ## 25.56 19 1/8 48.5818 45.7 22 55.9 13 33 1.6 0.149 4 3/4 12.06 4 10.16 11 7/8 30.1637 1/16 94.1421 53.3 25 63.5 16 40.6 2.2 0.204 5 1/4 13.33 4 10.16 12 3/4 32.38 33 1/2 85.0924 61 29 73.7 18 45.7 2.8 0.26 5 1/2 13.97 4 1/2 11.43 14 3/4 37.46 55 139.7

30 76.2 36 91.4 22 55.9 4.4 0.409 6 1/4 15.87 5 12.7 18 1/4 46.35 73 1/4 186.136 91.4 43 109 27 68.6 6.4 0.595 7 17.78 5 1/2 13.97 ### ## 54.7791 9/16 232.642 106.7 50 127 31 78.7 8.7 0.808 8 20.32 6 15.24 25 1/8 63.82 97 1/4 24748 121.9 58 147 36 91.4 11.4 1.059 9 1/4 23.49 7 17.78 29 1/8 73.98 ####### 293.9

54 137.2 65 165 40 102 14.3 1.328 10 1/2 26.67 8 20.32 32 3/4 83.18 #### ## 328.560 152.4 72 183 44 112 17.6 1.635 11 3/4 29.84 9 22.86 ### ## 92.23 ####### 363.166 167.6 79 201 49 125 21.3 1.979 13 1/4 33.65 10 25.4 39 3/4 101 145 1/2 369.672 182.9 85 216 54 137 25.3 2.35 14 1/2 36.83 11 27.94 42 5/8 108.3 154 1/2 392.4

* La información en esta tabla esta sujeta a las tolerancias de fabricación.

Diametro de la Tubería de Periferia

EquivalenteLuz

R

DimensionesFlecha

Sección Hidráulica

F R R


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Forma Escala de Dimensiones Usos Corrientes

Alcantarilla, desagues subterraneos, cloacas, túneles para servicio interior, etc.Todas las chapas tienen radio igual. Para terraplenes (o zanjas) de altura media o considerable.

Alcantarillas, cloacas, túneles para servicio Elíptico 1,20 a 6,40 m interior, túneles para recuperación.

Un 5% es nominales; antes Chapas de varios radios; armados en planta. corriente de peraltarse Por razones de apariencia, o cuando la

compactación del relleno es sólo moderada.

luz x flecha Para casos de altura limitada. Tiene ventajas Tubería 0,45 x 0,28 cm hidráulicas con caudales reducidos.abovedada a El radio de las chapas esquineras es de 0,46 ó

6,20 x 4,00 m 0,79 m para las chapas estructurales.

luz x flechaPaso 1,73 1,75 m Para peatones, ganado o vehículosinferior* a (de chapas estructurales).

6,20 x 5,44 m

luz x flecha1,85 x 0,55 m Con altura reducida para sección hidráulica

Bóveda a grande, o para mejor estética 7,62 x 3,81 m (chapas estructurales).

Para revestimiento de estructuras viejas u otros fines especiales. Se fabrican a pedido.

*Para áreas o alturas iguales el perfil circular resulta generalmente más económico y facil para armar

Circular 0,15 a 6,40 m

TABLA 1-1 Formas y Usos de los Conductos Corrugados

VariasEspecial


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Tabla 1-16 Detalles para el Diseño de Tuberías Abovedadas Corrugadas* - 76,2 x 25,4 mm (3 x 1 pulg)

pulg cm pulg cm pulg cm pies2 m2 pulg cm pulg cm pulg cm pulg cm36 91.4 43 109.2 27 68.6 6.4 0.594 9 3/4 24.76 7 3/4 19.68 22 1/2 57.15 54 3/4 139.0642 106.7 50 127 31 78.7 8.7 0.808 11 1/4 28.57 9 22.86 26 1/4 66.67 67 170.1848 121.9 58 17.3 36 91.4 11.4 1.059 13 33.02 10 1/2 26.67 30 1/2 77.47 82 208.2854 137.2 65 165.1 40 101.6 14.3 1.328 14 3/4 37.46 12 30.48 34 1/2 87.63 91 1/4 231.7760 152.4 72 182.9 44 111.8 17.6 1.635 16 1/4 41.27 13 1/4 33.65 38 1/2 97.79 98 1/2 250.19

66 167.6 73 185.4 55 139.7 22 2.044 21 53.34 18 45.72 36 3/4 93.34 46 1/4 193.6772 182.9 81 205.7 59 149.9 23 2.415 21 1/2 54.61 18 45.72 40 3/4 103.5 92 3/4 235.5878 198.1 87 221 63 160 31 2.88 22 55.88 18 45.72 43 1/2 110.5 100 1/2 255.2784 213.4 95 241.3 67 170.2 35 3.251 22 1/2 57.15 18 45.72 47 3/4 121.3 116 294.6490 228.6 103 261.6 71 180.3 40 3.716 23 58.42 18 45.72 51 3/4 131.4 132 1/2 336.55

96 243.8 112 284.5 75 190.5 46 4.273 23 1/2 59.69 18 45.72 56 1/4 142.9 151 3/4 385.44102 259.1 117 297.2 79 200.7 52 4.83 24 60.96 18 45.72 58 3/4 149.2 160 1/2 407.67108 274.3 128 3251 83 210.8 58 5.388 24 1/2 62.23 18 45.72 64 1/2 163.8 185 469.9114 289.6 137 348 87 221 64 5.945 25 63.5 18 45.72 69 175.3 201 510.54120 304.8 142 360.7 91 231.1 71 6.595 25 1/2 64.77 18 45.72 71 1/4 181 210 533.4

* La información en esta tabla esta sujeta a las tolerancias de fabricación.

Diametro de la Tubería de Periferia

EquivalenteLuz

R

DimensionesFlecha

Sección Hidráulica

F R R


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ALCANTARILLAS DE ARCO REBAJADO En las ciudades más grandes, el agua pluvial se controla generalmente por medio de bordillos y cunetas, desde las cuales el agua llega a los desagües pluviales. En poblaciones de menor tamaño, y en zonas suburbanas de las grandes ciudades, el agua se conduce por medio de zanjas en la superficie, que pueden no estar conectadas con la red de desagüe pluvial. Una solución popular y económica para este problema, en casos donde el exceso de agua no constituye un factor de importancia, consiste en alcantarillas de arco rebajado se apoyan sobre ángulos pequeños de acero fijados en una base de hormigón o mampostería, o sobre una base metálica corrugada o plana. Las bocas de entrada y las salidas pueden estar dentro de la cuneta, o pueden construirse de forma que no obstaculicen el ancho de la calle. Con un recubrimiento de apenas 5 cm, las alcantarillas alcanzarán resistencia suficiente para soportar las cargas del tránsito y los impactos, con resultados bastante buenos. En el caso de pavimentos del tipo rígido, un recubrimiento de 8 a 10 cm de espesor disminuirá al mínimo el agrietamiento de la calzada. MEDIDAS DE LAS ALCANTARILLAS DE ARCO REBAJADO Los segmentos de círculos se fabrican en secciones normales de 648 mm (25 ½ pulg.) las que, al solaparse, forman largos de 609 mm (2 pies). Las secciones no se empernan; el pavimento las mantiene en su sitio. La Tabla 1-17 muestra los tamaños que se fabrican. (Ver Copias Aparte)

10.3 Drenaje Subterráneo INTRODUCCION En contraste con el drenaje superficial, el drenaje subterráneo consiste en el control del agua freática. El drenaje subterráneo brinda una forma práctica y económica para mantener la firmeza y estabilidad de subrasantes y cimientos de edificios; elimina además la inundación de zanjas y los levantamientos por congelación, lo mismo que el desmoronamiento de los terraplenes y cortes en los taludes. También permite mantener secas las zonas recreativas, y reducir la saturación del relleno detrás de los muros para retención. El ingeniero civil considera al suelo como un material de Ingeniería para la construcción, en obras tales como cimientos de edificios, relleno para muros de retención, terraplenes, cortes para caminos, carrteras, y canales. Le preocupan por consiguiente las características básicas de los suelos, la presencia de agua freática, y si el drenaje subterráneo tendrá resultados prácticos para los terrenos donde construirá sus obras. Con un poco de estudio y experiencia, muchos problemas que se detectan en suelos con presencia de agua freática pueden solucionarse mediante el uso de tuberías para drenaje subterráneo. En los casos más difíciles, resulta indispensable recurrir a un ingeniero de suelos y al laboratorio respectivo. APLICACIONES EN CARRETERAS Básicamente, con suelo seco o granular se obtiene un terraplén más estable y mejor cimentación, o una subrasante mejor para la calzada de una carretera. Por consiguiente, los ingenieros recurren al drenaje subterráneo en todo lugar donde necesitan asegurar el mejor servicio y la mayor duración del terraplén o del pavimento, con poco trabajo de conservación e interrupción mínima del tránsito.


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Figura B-2: Desague interceptor colocado en la zona impermeable Resulta eficaz para mantener el agua libre fuera de la calzada y de la subrasante Las siguiente son algunas de las condiciones que exigen el drenaje subterráneo: (1) suelos húmedos, sobre los que deben construirse obras, especialmente debajo de terraplenes bajos o muy altos; (2) terraplenes construidos con suelos inestables; (3) zonas con filtración dentro de un talud cortado, o una profundidad debajo de la rasante donde el agua libre o el agua capilar perjudicial pueden debilitar la subrasante debajo del pavimento; (4) zanjas laterales en roca viva, que puede contener bolsones de agua; (5) empalmes entre secciones con corte y secciones con terraplén, donde el agua freática sobre un estrato impermeable puede escurrir sobre el pavimento; (6) el suelo debajo de un pavimento donde el escurrimiento puede embalsarse sobre la superficie, causando inestabilidad y pérdida de la capacidad resistente del subsuelo; y (7) zonas expuestas a ser dañadas por el congelamiento. En la mayoría de los casos, la solución consiste en una zanja para el drenaje subterráneo, de profundidad adecuada, con una tubería perforada para drenaje subterráneo y su salida correspondiente, y un relleno permeable (o filtro) para retener los sedimentos y al mismo tiempo permitir la entrada rápida del agua en la tubería. Véanse las Fig. B-2. La tubería perforada, de acero corrugado, se usa muy frecuentemente para el control del agua freática y de las condiciones que produce. Entre las ventajas que se pueden citar están la longitud de las secciones, el peso ligero, la flexibilidad, la resistencia, la sencillez de las uniones, y la gran capacidad para infiltración que permite sin embargo la exclusión de la mayoría de los sólidos. APLICACIONES EN FERROCARRILES Los problemas del drenaje subterráneo en instalaciones ferroviarias son muy similares a aquellos que se presentan en las carreteras. Además, existe la tendencia a la formación de bolsones de agua como resultado de la penetración del balasto en la subrasante blanda, causando falta de continuidad en la firmeza de la vía. Las vías múltiples agravan el problema del drenaje, en la misma forma en que lo hacen los pasos a nivel. En tales lugares, el drenaje apropiado debajo de la superficie, combinado con el desagüe superficial, puede ayudar para reducir al mínimo los gastos de conservación de la base de las vías. APLICACIONES EN PAVIMENTOS URBANOS Las calles urbanas difieren poco de los caminos rurales, en lo que se refiere a los cimientos para la calzada y a las cargas del tránsito. Cuando existe agua libre en la subrasante, se debería


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interceptar por medio de una tubería para drenaje subterráneo, para asegurar la mayor duración del pavimento. Otras zonas urbanas húmedas que pueden mejorarse con el drenaje subterráneo apropiado son los parques, los campos para golf y otros deportes, pistas para carreras, y cementerios. Con frecuencia, las cuestas empinadas y otras zonas afectadas por deslizamientos pueden estabilizarse mediante el drenaje subterráneo. AEROPUERTOS Una red de drenaje inadecuada, puede dificultar seriamente o poner e peligro el movimiento de aviones en los aeropuertos. El drenaje insuficiente puede producir la saturación de la subrasante y de la sub – base (lo que reduce la capacidad portadora de las superficies pavimentadas), la erosión de los taludes, y la excesiva acumulación de agua. Las tuberías de acero corrugado, circulares y abovedadas, se utilizan extensamente en los aeropuertos para desagües pluviales, conductos para arroyos, y para el drenaje subterráneo debajo de zonas pavimentadas. Estas estructuras son muy resistentes al aplastamiento por los impactos y por la vibración. Se fabrican en tramos largos que resisten la separación de las juntas y el atascamiento producido por la penetración del relleno que las rodea. Fig. B-5.

Figura B-5: Drenaje Subterraneo y desague de la base a lo largo del borde de la pista


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Figura B-7: Corte vertical de un pozo para alivio y tubo colector. Ilustra como se emplean para diques a la vera de los ríos. La tubería perforada de acero se emplea mucho para el drenaje en la base de taludes, en presas y diques DIQUES Y PRESAS El empleo de la tubería perforada de acero para el drenaje subterráneo, en el costado próximo al curso de agua en los diques, y en el lado río abajo en las presas de tierra y roca, es generalmente considerado una técnica correcta. El propósito es aliviar la presión del agua freática, causada por la acumulación del agua que se filtra. La Fig. B-7 muestra un tipo especial de drenaje con línea de base aguas abajo, o pozo de alivio, que suele emplearse en diques fluviales importantes.


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CIMIENTOS PARA EDIFICIOS El asentamiento desigual de los cimientos para edificios, debido al nivel alto del agua freática o a la anegación, frecuentemente produce un aspecto desagradable como resultado de paredes agrietadas, máquinas o equipos fuera de alineación o de vertical, y es necesario efectuar continuamente grandes gastos de conservación. Tanto la construcción residencial, como la comercial e industrial, pueden ser afectadas por estos problemas. Por lo general, el drenaje subterráneo adecuado es la mejor medida preventiva. CONTRAFUERTES Y MUROS DE RETENCION Si no existe drenaje adecuado, el relleno detrás de un contrafuerte o de un muro de retención puede producir el pandeo o la caída de la estructura, u otros problemas. Los puentes, los pasos inferiores y las separaciones de niveles, pueden protegerse y estabilizarse por medio del drenaje subterráneo. En el caso de los puentes ferroviarios sobre cubierta cerrada, el agua se filtra por entre el balasto hacia una depresión en el centro de la cubierta. Allí puede instalarse un desagüe semicircular de acero corrugado, perforado, para captar el agua y conducirla hacia una salida.


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ESTABILIZACIÓN DE TALUDES Los taludes cortados y terraplenes de cualquier tipo, están frecuentemente sujetos a filtraciones que provocan inestabilidad y derrumbes. La intercepción del agua por medio de zanjas para el drenaje subterráneo, ubicadas adecuadamente, como ya se explicó, es por lo general la solución más efectiva y económica. Fig B-10. La tubería de acero, resistente, asegura resultados duraderos.

Figura B-10:desague interceptor en la línea débase aguas abajo del talud que mantiene secos y utilizables el fondo del valle y otras zonas


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BIBLIOGRAFÍA

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19. FAO 1985: Water quality for irrigation. Irrigation and Drainage Paper no 29. Food and Agriculture Organisation, Rome, Italy, 174 pp.

20.


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Presentación y contenido del Trabajo Final del Curso

El trabajo tendrá una extensión según la metodología propuesta en tamaño A4, incluyendo la carátula con el nombre del trabajo y de los alumnos integrantes (1ª hoja), Tabla de Contenido (índice general). Podrá presentarse material adicional en CD o Diskette. Deberá contener: • Objetivo y descripción del estudio presentado. • Identificación y análisis de los problemas o variables relacionados con el tema. Impacto social y económico del proyecto. Análisis de costos y beneficios asociados al proyecto que guarden relación con el tema del Drenaje. Excesos y Deficits de Agua. • Planteamiento del Sistema de Drenaje. • Diseño del o los sistemas de Drenaje Propuestos • Lista bibliográfica y fuentes consultadas. • Anexos

- Datos Climáticos del Proyectos - Obtención de Parámetros del Suelo (Textura, Conductividad Hidraulica, etc) - Diseños específicos - Costos y Presupuestos - Planos de Planta, perfil, secciones transversales - Otros, Fotografias

Cada grupo, de acuerdo a un listado que se publicará en su oportunidad, deberá exponer el trabajo realizado ante sus compañeros (por inscripción o asignación). El plazo de la exposición no debe sobrepasar los 15 minutos. La presentación será realizada por cada uno de los integrantes del grupo, seleccionado al azar el mismo día que se efectúa la exposición. Deberá utilizar el sistema de presentación disponible (Data Show) en la sala asignada para este efecto (se avisará con la debida antelación). La calificación obtenida por el grupo está conformada por la presentación escrita y la exposición oral. Es obligatorio. El contenido de los temas expuestos por los grupos es materia controlable en prueba posterior y examen. Otros Temas de Practicas: 1. Niveles de afectación y producción de los cultivos por problemas de drenaje (trabajos grupales por

exponer). 2. Comportamiento agrohidrológico del perfil del suelo en áreas con problemas de drenaje. 3. Dinámica del agua en el suelo. Cuantificación del flujo en el medio poroso. 4. Morfología de la Napa Freática. 5. Determinación de la conductividad hidráulica en campo. 6. Cálculo del espaciamiento de drenes. Estado permanente I. 7. Cálculo del espaciamiento de drenes. Estado permanente II. 8. Cálculo de espaciamiento de drenes. Estado no permanente. 9. Técnicas de muestreo con fines de diagnóstico de suelos salinos. 10. Técnicas de muestreo de suelos salinos. Clasificación e interpretación de suelos salinos. 11. Técnicas de muestreo de agua. Clasificación e interpretación de aguas de riego. 12. Funciones de Pedotransferencia – Rosetta, otros.


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Exposiciones Complementarias: Proceedings, Symposiu m 25th International Course on Land Drainage, Twenty-Five Years of Drainage Experience 1.- Drainage in arid regions (20) 2.- Field drainage for dry foot crops in the (semi-)humid tropics (14) 3.- Drainage in rice culture in the Asian humid tropics (18) 4.- Developments in land drainage envelope materials (22) 5.- Future trends in drainage projects (06) 6.- Drainage developments in the United Kingdom between 1961-1986 (17) 7.- Aspects of land drainage development in Ireland over the last twenty-five years (17) 8.- Drainage in Denmark Developments and prospects for the future (13) 9.- Conception and evolution of drainage projects in Romania (13) 10.- Some aspects of organizing the maintenance of drainage systems in Czechoslovakia (21) 11.- Development of land drainage in Egypt (21) 12.- A review of planning strategies of salinity control and reclamation projects in Pakistan (20) 13.- Development of drainage in Turkey over the last 25 years and its prospects for the future (25) 14.- The Melka Sadi Pilot Drainage Scheme (17) 15.- Drainage problems in India (13) 16.- Aspects of design, construction, and operation and maintenance of lowland development in Indonesia (18) Nota: Traducir todo el texto del archivo. Presentar el original impreso, y el resto en digital (power point y word)

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