Agua en El Suelo
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05/05/2014 1 Presentado por: Ing. Raúl Ortiz Curso de Hidrogeología Clase 3 1. El Suelo. 2. Material Sólido. 3. Zonas de Humedad. 4. Categorías de Agua. 5. Contenido de Humedad. 6. Cálculos en Base a Porosidad y Contenido de Humedad en el Suelo. 7. Capilaridad. 1. El Suelo Curso de Hidrogeología Clase 3
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Presentado por: Ing. Raúl Ortiz
Curso de HidrogeologíaClase 3
1. El Suelo.
2. Material Sólido.
3. Zonas de Humedad.
4. Categorías de Agua.
5. Contenido de Humedad.
6. Cálculos en Base a Porosidad y Contenidode Humedad en el Suelo.
7. Capilaridad.
1. El Suelo
Curso de HidrogeologíaClase 3
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SueloDefinición y Perfil
El suelo es el resultado de todos loscambios físicos, químicos y biológicossobre las rocas originales o inalteradas,a través del tiempo.
Perfil del suelo simplificado:
Horizonte A.- formado por laalteración de la roca madre.Inicialmente tiene poca materiaorgánica pero esta se incrementa conel tiempo. El agua lava las sustanciasde este horizonte.
Horizonte B.- se forma bajo elhorizonte A debido a la acumulaciónde las sustancias arrastradas por elagua desde el horizonte A.
Generalmente, el horizonte A es máspermeable que el B, pues en este seacumulan arcillas y coloides quecementan los materiales más gruesos.
SueloPerfil
Perfil del suelo
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SueloFases y Grados de Saturación
En el suelo existen: sólidos, líquidos (agua) y gases (aire y vapor deagua), además de componentes biológicos (flora y fauna a nivelmicrobiológico y macrobiológico).
2. Material Sólido
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SuelosTextura
La textura del material sólido se refiere al tipo y porcentaje de materialesconstitutivos del suelo según el tamaño de sus partículas.
Es la proporción relativa en que se presentan los distintos materiales sólidosque lo componen. Esta proporción se expresa en % del peso de materialescomprendidos en un intervalo de tamaños, respecto al peso total de la muestraseca.
La textura de un suelo, se determina en laboratorio, con análisisgranulométricos.
El parámetro dx es el diámetro tal que el x% de peso de la muestra tiene unaspartículas con diámetro inferior a él.
Diámetro eficaz = d10
Coeficiente de uniformidad = d60/d10
Si d60/d10<2 = suelo uniforme (más uniforme cuanto menor es este coeficiente y la porosidad es mayor cuando más se acerca a 1).
Si d60/d10>2 = suelo variable.
SuelosTextura
Las denominacionespropuestas para losmateriales sólidos dedistintos tamaños quecomponen un suelo,no son universales.
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SuelosTextura
Representaciones gráficas de análisis granulométricos
La representación másutilizada es la de curvasgranulométricas acumulativas.
Curva granulométrica acumulativa
Curva granulométrica distributivaDiagrama lineal
SuelosTextura
Curva granulométrica acumulativa de arena limosa, fina a media.
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SuelosTextura
Curva granulométrica acumulativa de arena fina.
SuelosEstructura
La estructura se refiere a ladisposición física in situ de losmateriales que lo constituyen.
La porosidad es consecuenciade la estructura del suelo.
La estructura no es unaconstante y cualquier acciónfísica sobre el terreno, o elhecho de que permanezcasaturado de agua un ciertotiempo puede cambiarla.
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3. Zonas de Humedad
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SueloZonas de Humedad
En un perfil del suelo, transcurrido cierto tiempo sin que se alteren las condicionesde aportación de agua y estructura, el agua tiende a alcanzar un relativo equilibrio yqueda distribuida en una serie vertical de zonas de humedad.
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SueloZonas de Humedad
Zona saturada (acuífero).- limitada en su parte superior por la superficiefreática. El agua llena completamente todos los poros del suelo.
Zona de aireación (zona vadosa o no saturada).- situada entre la superficiefreática y la superficie del terreno. Tiene 3 subzonas:
Subzona de evapotranspiración.- comprendida entre la superficie del terrenoy los extremos radiculares de la vegetación .
Subzona intermedia.- no está afectada por las raíces de las plantas. Unavez que ha desaparecido el agua gravífica contiene agua de retención yagua capilar aislada.
Subzona de ascenso capilar.- transición a la zona saturada propiamentedicha y alcanza una altura sobre la superficie freática que depende de lasfuerzas capilares.
4. Categorías de Agua
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SuelosCategorías de Agua
El agua precipitada cuando llega al suelo, puede circularsuperficialmente, o puede infiltrarse. Al infiltrarse queda sometida avarias fuerzas, de cuya intensidad depende el mayor o menor gradode fijación al material sólido.
El agua en el suelo o subsuelo puede clasificarse en variascategorías o tipos.
SuelosCategorías de Agua
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SuelosCategorías de Agua
Categoría 1: Agua de Retención (agua retenida por fuerzas no capilares)
Parte del agua retenida por atracción eléctrica, debido el carácter dipolar de lamolécula de agua y de las superficies de los cristales sólidos. Sus tipos son:
Agua higroscópica.- separable en forma de vapor. Forma parcelas aisladasadsorbidas por las partículas sólidas.
Agua pelicular.- se desprende por centrifugación y forma una película queenvuelve las partículas y el agua higroscópica.
Hidrológicamente el agua de esta categoría tiene poco interés, pues no sedesplaza por gravedad, ni se extrae de la zona saturada por bombeo.
Agronómicamente el agua de esta categoría no es útil, pues la fuerza de succiónde las raíces es inferior a la de retención del agua y la plantas no puedenextraerla del terreno.
SuelosCategorías de Agua
Categoría 2: Agua Capilar (agua retenida por fuerzas capilares)
Las fuerzas capilares se deben a las siguientes causas :
Tensión superficial.- atracción entre las moléculas de agua debido al contactoentre dos fluidos no miscibles (agua - aire).
Adherencia a los sólidos.- el agua es retenida por los finos canalículos queexisten en el suelo llenos de aire.
Tipos:
Agua capilar aislada o suspendida.- Es el agua que queda retenida en elsuelo por fuerzas capilares. La aportación de agua es temporal (lluvia oriego). Su distribución es irregular. Es la única forma de agua del suelo queaprovechan las plantas.
Agua capilar continua.- Es el agua capilar sobre la zona saturada. Laaportación de agua es permanente (mientras haya agua en el acuífero).
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SuelosCategorías de Agua
Categoría 3: Agua Gravífica o Agua de Gravitación (agua no retenida por elsuelo)
Constituye el agua subterránea propiamente dicha. Está contenida en elsuelo, pero no retenida por él y circula libremente por efecto de los gradientespiezométricos.
Parte del agua infiltrada que penetra y desciende a través de los poros,sometida a la acción de la gravedad.
Cuando esta agua alcanza un fondo impermeable, o una zona ya saturada,satura la zona suprayacente.
5. Contenido de Humedad
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SuelosContenido de Humedad
Las medidas de contenido de humedad en un suelo, pueden expresarse enproporción de peso de agua, respecto al peso total de la muestra seca, o enproporción de volúmenes ocupados en el terreno por el agua y los sólidos.
El material sólido que compone un suelo tiene una densidad real del orden de2,5. Pero el volumen que realmente ocupa en el terreno es mayor y surge elconcepto de densidad aparente o relación entre el peso del volumen que ocupaen el terreno una muestra seca y el peso del mismo volumen de agua.
Multiplicando las proporciones en peso por la densidad aparente, se obtienenproporciones en volumen. Los valores de la densidad aparente, oscilan segúnel tipo de partículas del suelo entre 1,1 y 1,6.
La expresión muestra seca no es absoluta, pero en general se acepta como tal,una muestra sometida a desecación en un horno, a temperatura de 105 ºC,aunque en estas condiciones aún mantiene una pequeña proporción de agua deretención.
SuelosContenido de Humedad
Grado de humedad: es el porcentaje de peso del agua contenida en lamuestra, antes de desecarla, respecto al peso de la muestra desecada a 105°C.
Capacidad de campo (Cc): es el grado de humedad de una muestra que haperdido su agua gravífica. Representa el agua que, transcurrido un tiempo(generalmente unos 3 días), después de un riego o de una lluvia, queda en elterreno, parte de la cual podrá ser aprovechada por la vegetación para susfunciones biológicas.
Humedad equivalente: es el grado de humedad de una muestra que se hasometido a una presión centrífuga de 10 atmósferas durante 40 minutos. Es unvalor muy próximo a la capacidad de campo y sustituye su determinación.
Grado de saturación: Es el porcentaje de volumen de agua, respecto alvolumen de poros en una porción de suelo.
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SuelosContenido de Humedad
Punto de marchitez permanente (Pmp): Grado de humedad de un suelo querodea la zona radicular de la vegetación, tal que la fuerza de succión de las raíceses menor que la de retención del agua por el terreno y en consecuencia lasplantas no pueden extraerla. Para determinarla se somete la muestra a unapresión centrífuga de 15 atmósferas, hallando después su grado de humedad. Esparte de la capacidad de campo.
Agua utilizable por las plantas (RAU): Es el agua capilar aislada que las plantaspueden extraer de la zona radicular del suelo. Es la diferencia entre la capacidadde campo y el punto de marchitez permanente.
Capacidad de retención específica: Es el porcentaje de volumen de agua quequeda en el suelo, después de perder el agua gravífica, respecto al volumen totalde una porción del suelo. Este concepto es análogo al de capacidad de campo, elcual expresa la proporción de agua en pesos. Así la capacidad de campomultiplicada por la densidad aparente será igual a la capacidad de retenciónespecífica.
SuelosContenido de Humedad
Densidad Real (Dr): masa de las partículas por unidad de volumen de partículas(sólidos). Frecuentemente se asigna un valor promedio de 2.65 g cm-3.
Dr = Ms/Vs
Densidad Aparente (Da): cociente entre la masa de suelo seco (Ms) y elvolumen de suelo (Vt). La densidad aparente es mayor en suelos compactadosdebido a la reducción de Vt.
Da = Ms/Vt
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SuelosContenido de Humedad
Datos:
Densidad aparente = 1,4 Capacidad de campo = 22,7 % Punto de marchitez permanente = 11% Profundidad radicular media = 0.30 m
Pregunta
Hallar la altura de agua utilizable por lasplantas, en mm.
Solución:
Volumen de la zona radicular
100 m x 100 m x 0.30 m = 3000 m3/ha
Agua utilizable por las plantas
22.7%-11% = 11,7%
Volumen utilizable
3000 m3/ha x (0,117 x 1,4) = 491.4 m3/ha= 49.14 mm.
Cálculo de Reserva de Agua Utilizable por las Plantas (RAU)
SuelosContenido de Humedad
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN EL SUELO
Reserva de agua utilizable por lasplantas (RAU)
Punto de marchitez permanente(PMP)
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SuelosContenido de Humedad
Umbrales de Humedad y Contenidos Volumétricos de Agua
SuelosContenido de Humedad
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SuelosContenido de Humedad
SuelosContenido de Humedad
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SuelosComponentes de Porosidad
6. Cálculos en Base a Porosidad y Contenido de
Humedad en el Suelo
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SuelosPorosidad y Contenido de Agua
SuelosPorosidad y Contenido de Agua
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7. Capilaridad
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SuelosCapilaridad
Cuando las moléculas de agua en lasuperficie freática son sujeto de unaatracción ascendente comoconsecuencia de los fenómenos detensión superficial y de la atracción delas paredes del sólido al agua y aireen sus proximidades.
Debido a las irregularidades en eltamaño de las aperturas, el aguacapilar no se eleva hasta una alturauniforme sobre el nivel freático,formando una franja irregular. Lafranja capilar es de mayor espesor ensuelos de grano fino que en los suelosde grano grueso debido a las mayorestensiones creadas por menoresaperturas en los poros.
Ascenso en un tubo capilar.
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SuelosCapilaridad
Un medio poroso puede suponerseformado por una serie de canalículos desección variable; cada uno de ellos escapaz de actuar como un tubo capilar deforma muy irregular.
La altura de ascensión capilar en cadauno de ellos varía según su diámetro.Así la superficie saturada de un medioporoso es muy irregular, pero si lagranulometría del medio es más omenos regular, puede establecerse unnivel medio en el que la presión esmenor que la atmosférica. La altura deeste nivel medio sobre la superficie depresión igual a la atmosférica (superficiefreática) es la elevación capilar media yla porción de medio poroso en la zonade elevación capilar es la franja capilar.
Ascenso en un medio poroso
Donde:
hc = elevación capilar media en un materialporoso.c = constante que varía entre 0,1 y 0,5 cm2.e = relación de vacíos.d10 = diámetro eficaz.
SuelosCapilaridad
Si un terreno se pone en contactocon agua, ésta asciende. Cuando lapermeabilidad es menor, la velocidadde ascenso capilar también esmenor. En terrenos porosos muypoco permeables (que son los quetienen mayor ascenso capilar) laaltura máxima no se alcanza hasta elcabo de largo tiempo.
La velocidad de ascenso decreceexponencialmente, y por lo tanto senecesita teóricamente un tiempoinfinito para alcanzarse el ascensomáximo. En la práctica bastaconsiderar el tiempo en alcanzar el90% o 95% del ascenso máximoteórico.
Velocidad de ascenso capilar
Donde:
t = tiempo necesario para alcanzar una altura h.hc = elevación capilar media en un material poroso.m = porosidad.k = permeabilidad.
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1. Ejercicios (en práctica).2. Control de Lectura (correo
electrónico).
Trabajo para Próxima Clase
