Conductividad Hidraulica en Campo

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Terra Latinoamericana E-ISSN: 2395-8030 [email protected] Sociedad Mexicana de la Ciencia del Suelo, A.C. México Gómez-Tagle Ch., Alberto; Gómez-Tagle R., Alberto F.; Batlle-Sales, Jorge; Zepeda Castro, Hugo; Guevara Santamaría, Mario A.; Maldonado L., Selene; Pintor A., J. Emmanuel CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA SATURADA DE CAMPO: USO DE UN INFILTRÓMETRO DE CARGA CONSTANTE Y ANILLO SENCILLO Terra Latinoamericana, vol. 26, núm. 4, octubre-diciembre, 2008, pp. 287-297 Sociedad Mexicana de la Ciencia del Suelo, A.C. Chapingo, México Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=57313051001 Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

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  • Terra LatinoamericanaE-ISSN: [email protected] Mexicana de la Ciencia del Suelo,A.C.Mxico

    Gmez-Tagle Ch., Alberto; Gmez-Tagle R., Alberto F.; Batlle-Sales, Jorge; Zepeda Castro, Hugo;Guevara Santamara, Mario A.; Maldonado L., Selene; Pintor A., J. Emmanuel

    CONDUCTIVIDAD HIDRULICA SATURADA DE CAMPO: USO DE UN INFILTRMETRO DECARGA CONSTANTE Y ANILLO SENCILLO

    Terra Latinoamericana, vol. 26, nm. 4, octubre-diciembre, 2008, pp. 287-297Sociedad Mexicana de la Ciencia del Suelo, A.C.

    Chapingo, Mxico

    Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=57313051001

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  • RESUMEN

    Al proceso en el cual el agua pasa de la superficiedel suelo a su interior se llama infiltracin. Durante unensayo de infiltracin, sta disminuye en el tiempo hastaun valor constantemente controlado por la conductividadhidrulica saturada de campo (Ksf). Esta propiedad,altamente variable en el espacio, requiere un nmero demuestras considerable para caracterizarlaadecuadamente. Por ello, es importante contar consuficiente equipo para llevar a cabo la toma de datos entiempo razonable. Los objetivos fueron: a) construir uninfiltrmetro ligero, de bajo costo y reducido consumode agua; b) para este dispositivo, comparar tres mtodospara estimar la Ksf, y c) contrastarlos contra la Ksfobtenida con un permemetro Guelph. El trabajo serealiz en suelos del cinturn volcnico mexicano, enlas formaciones arena Huiramba, arena Jorullo, limoUmcuaro, franco Cointzio y arcilla Atcuaro. Losmtodos comprenden dos mtodos, Wu1 y Wu2 para unaprimera y segunda carga, y el mtodo de dos cargas paraanillo sencillo (DCAS). La Ksf promedio se ubic entre0.0785 y 9889.65 mm h-1 mostrando dependencia de latextura y mtodo. El mtodo DCAS gener, tanto losvalores de K sf ms elevados en este estudio(21827 mm h-1) como los valores negativos msapartados de la realidad, lo cual demuestra que es

    significativamente distinto a los otros mtodos, puesrequiere ms tiempo y agua que los otros. Para elmtodo Wu1 la Ksf promedio se ubic entre 5.50 y848.19 mm h-1. Para el Wu2, se obtuvo la Ksf promediocon la primera carga entre 3.18 y 3975.24 mm h-1 y 94.12y 4505.99 mm h-1 para la segunda carga. El mtodo msrobusto fue el Wu2, pues se ajust en todos los ensayosde infiltracin y no requiri el clculo de D como elmtodo Wu1 y no tuvo diferencias con el dispositivo dereferencia.

    Palabras clave: infiltracin, eje volcnico mexicano,servicios ambientales hidrolgicos, cuenca de Cuitzeo,volcn Jorullo.

    SUMMARY

    Infiltration is the process that occurs when waterpenetrates the soil surface. During an infiltrationexperiment, infiltration rate diminishes with time untilreaching a constant value controlled mainly by fieldsaturated hydraulic conductivity (Ksf). This highlyvariable hydraulic soil property requires an importantsample size to be properly characterized. Therefore,equipment availability is crucial in order to acquirerepresentative data in a reasonable time. The objectivesin this work were a) to build an inexpensive, low weightand low water consumption infiltrometer, b) to comparethe performance of three different methods to estimateKsf from data acquired with the constructed infiltrometer,and c) to compare the estimated Ksf values with thoseobtained by means of a Guelph permeameter. Theresearch was conducted in the Mexican volcanic beltwithin the soil formations Huiramba sand, Jorullo sand,Umecuaro silt, Cointzio loam, and Atecuaro clay. Ksfwas obtained using the methods Wu1 and Wu2 for afirst and second pressure head and the two charges forthe single ring method (TCSR). Mean Ksf varied between0.0785 and 9889.65 mm h-1 depending on texture

    CONDUCTIVIDAD HIDRULICA SATURADA DE CAMPO: USO DE UNINFILTRMETRO DE CARGA CONSTANTE Y ANILLO SENCILLO

    Field Saturated Hydraulic Conductivity: Use of a Portable Constant-Head and Single-RingInfiltrometer

    Alberto Gmez-Tagle Ch.1, Alberto F. Gmez-Tagle R.2, Jorge Batlle-Sales3, Hugo ZepedaCastro1, Mario A. Guevara Santamara4, Selene Maldonado L.5 y J. Emmanuel Pintor A.1

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    1 Servicios Integrales en Ecosistemas, 2 Departamento de Cienciasde la Tierra, Instituto de Investigaciones sobre los RecursosNaturales (INIRENA), Universidad Michoacana de San Nicolsde Hidalgo (UMSNH). 58179 Morelia, Michoacn, Mxico. Autor responsable ([email protected])3 Departamento de Biologa Vegetal, Universidad de Valencia.46100 Valencia, Espaa.4 Facultad de Biologa, UMSNH. Morelia, Michoacn, Mxico.5 Centro de Investigaciones en Ecosistemas, UNAM. 58190Morelia, Michoacn, Mxico.

    Recibido: octubre de 2006. Aceptado: junio de 2008.Publicado en Terra Latinoamericana 26: 287-297.

  • 288 TERRA LATINOAMERICANA VOLUMEN 26 NMERO 4, 2008

    and method used. The TCSR method generated boththe highest mean values of this work (21 827 mm h-1)and the most unrealistic negative values, revealing thatit is significantly different from the other methods sinceit required more water and time. For the Wu1 methodmean Ksf varied from 5.50 to 848.19 mm h-1 and for theWu2 method from 3.18 to 3975.24 mm h-1 with the firstcharge head, and from 94.12 to 4505.99 mm h-1 with thesecond charge. The most robust method was Wu2 thatfit in all infiltration tests and did not require estimationof D, as did Wu1, and it was statistically equal to thereference device.

    Index words: infiltration, Mexican volcanic belt,hydrological ecosystem services, Cuitzeo watershed.

    INTRODUCCIN

    La infiltracin (I) es el proceso por el cual el aguaque llega a la superficie del suelo pasa hacia su interior(Campos-Aranda, 1992). Dicho proceso es muy sensiblea cambios en el manejo del suelo (Davidoff ySelim, 1986). Durante un ensayo, la tasa de infiltracininstantnea decrece en el tiempo hasta un valor constantellamado infiltracin bsica, controlado por laconductividad hidrulica saturada o Ks; sta es unamedida del flujo que atraviesa una seccin del sistemaporoso del suelo saturado (Amoozegar, 1992), es variableespacialmente en el mismo tipo de suelo a distanciascortas (Sobieraj, 2004), por lo que para generar y calibrarmodelos espaciales, un slo valor medido o un pequeoconjunto de valores difcilmente representa la Ks de unrea, aun siendo pequea y supuesta como homognea(Mallants et al., 1997; Sobieraj, 2004). Con valoresprecisos de Ks a diferentes escalas se estima la capacidadde infiltracin en una cuenca, su balance y su modelofuncional, lo que facilita el diseo de estructuras paracontrolar avenidas y la estimacin de la disponibilidadde agua para la vegetacin o la percolacin para larecarga de acuferos (EPA, 1988 a, b; Ragab y Cooper,1993).

    La medicin mas comn de la Ks en laboratorio serealiza con ncleos inalterados de suelo, pasando agua acarga hidrulica constante (Mallants et al., 1997;Wu et al., 1999). En campo se utilizan simuladores delluvia (Osuna-Ceja y Padilla-Ramrez, 1998)o infiltrmetros y permemetros, con los cuales se mideel flujo de agua al suelo y posteriormente, con ecuaciones

    analticas, se estima la conductividad hidrulica(Amoozegar, 1992; Elrick y Reynolds, 1992).

    Mallants et al. (1997) prefirieron medidas de Kssaturada de campo (Ksf) sobre las de laboratorio, puescon stas se conserva la estructura del suelo y se evita laformacin de tubos directos. Adems, en campo sepresentan pequeas burbujas de aire atrapado en el suelo,condiciones similares a las de la precipitacin (Dafonteet al., 1999).

    En el mercado hay dispositivos para estimar la Ksfen campo, con superficies de medicin pequeas(20-1963.5 cm2). Por ello, los muestreos deben sernumerosos, lo que permite conseguir valoresrepresentativos. Debido al peso y consumo de agua delos equipos comerciales (anillo doble), los muestreos sehacen cerca del vehculo de apoyo, lo cual limita surepresentatividad (Bagarello et al., 2004).

    Los objetivosde este trabajo fueron: a) construir undispositivo de anillo sencillo, de carga constante, bajocosto y consumo de agua reducido; b) de tres mtodosde clculo, definir el mejor para estimar la Ksf para eldispositivo construido; c) probar diferencia estadsticaentre ste y un aparato comercial de referencia, yd) probar la sensibilidad del dispositivo para detectardiferencias en la Ksf relacionadas con variaciones detextura del suelo para utilizarlo en estudios de variacinespacial de la Ksf con nfasis en suelos de difcil accesoy no dedicados a la agricultura

    Descripcin y Construccin del Dispositivo

    El infiltrmetro porttil de carga constante y anillosencillo (IPCCAS) es una variante de los infiltrmetrosde presin descritos por Elrick y Reynolds (1992) y Fortn(2003), se clasifica como de presin de anillo sencillo(Angulo-Jaramillo et al., 2000). Estos dispositivos sehan utilizado en la caracterizacin de la Ksf (Prieksatet al., 1992; Wu et al., 1999). En Mxico no seencontraron referencias de su construccin o aplicacin.

    El IPCCAS consta de tres partes:Reservorio principal: est formado por una botella deMariotte con dos tubos de Plexiglas(polimetil-metacrilato) y sellado por dos tapones de gomaperforados para albergar dos tubos, uno de burbujeo enla parte superior y otro de salida de agua en la parteinferior. Junto a la botella de Mariotte hay una reglagraduada, en milmetros. La salida conecta a unamanguera con vlvula de paso.

  • 289GMEZ ET AL. USO DE UN INFILTRMETRO DE CARGA CONSTANTE Y ANILLO SENCILLO

    Anillo: es de hierro o acero con tapa hermtica, poseeuna campana para conectar la llave de paso, un tubode purga soldado hermticamente y un mango deinsercin para montar y desmontar el anillo. En el tubode purga se inserta un tubo de Plexiglas de 12.0 mm por200.0 mm para medir la carga hidrulica.Base de soporte: se compone del disco de base y lacaa de insercin, ambos de cloruro de polivinilo.

    El dispositivo, similar al de Prieksat et al. (1992)difiere en que el anillo y el Mariotte estn separadosfsicamente y slo conectados por manguera flexible;esto facilita el proceso de recarga del Mariotte, sin afectarla insercin del anillo; la base permite fijar el IPCCAScon estacas en sitios con pendiente y el tubo de burbujeopermite ajustar la carga hidrulica deseada. La Figura 1muestra el aspecto general del dispositivo ensamblado ymontado para la medicin en campo. El IPCCAS puede

    construirse con materiales de bajo costo,aproximadamente US $60.00.

    MATERIALES Y MTODOS

    Las pruebas de campo se hicieron en dos zonas: laprimera, en el volcn Jorullo, dentro del rea NaturalProtegida Reserva Patrimonial Volcn Jorullo, cuencadel ro Balsas, y la segunda, al sur de Morelia con cuatrositios en la cuenca de Cuitzeo. Todos los sitios, ubicadosen el Cinturn Volcnico Mexicano, en el estado deMichoacn, Mxico. Los sitios difieren en ubicacingeogrfica, tipo de suelo, posicin topogrfica(Cuadro 1) y condiciones climticas.

    Atcuaro presenta cobertura herbcea de especiesanuales. En Cointzio hay cobertura herbcea y dearbustos espinosos (< 10%). Umcuaro tiene uso agrcolade temporal y cobertura herbcea de especies anuales.Huiramba posee vegetacin incipiente (gramneas),mientras que Jorullo presenta cobertura de selva bajacaducifolia abierta (SERINE, 2006). En todos los sitiosla pendiente es menor de 10%. El clima en Atcuaro,Cointzio, Umcuaro y Huiramba es templado subhmedocon lluvias en verano, con temperatura promedio anualde 16.7 C y precipitacin media anual de 849.3 mm. ElJorullo tiene un clima clido subhmedo con lluvias enverano, temperatura media anual de 27.4 C yprecipitacin promedio anual de 930.9 mm (Garca,2004).

    El estudio incluy cinco sitios (Cuadro 1), entrediciembre de 2005 y febrero de 2006, con varias rplicasen cada sitio. Se us agua potable purificada o de latoma municipal, su anlisis qumico se resume en elCuadro 2. El anillo se insert 60 mm en el suelo. El tubode burbujeo se ajust para la primera carga (h1) (10.0 a130.0 mm); estabilizada sta, se midi y ley cada minutoen los primeros cinco y despus cada cinco hasta alcanzarun gasto estable (q1), indicativo de la fase estacionariao 1.5 h. En los suelos arenosos se registr cada minutohasta alcanzar q1 o 0.5 h. En todos los ensayos, al llegaral flujo estacionario o el tiempo, se levant la carga (h2)(20.0 a 180.0 mm) se ajust el tubo de burbujeo y seregistr cada minuto para los suelos arenosos, o cada5 min para los dems, durante 1 h ms o hasta alcanzarun gasto estable (q2).

    Al terminar el ensayo se dej drenar 2 minutos, seretir el anillo y se tom una muestra de suelo del interiordel anillo, para conocer el contenido de humedad final(qf) por gravimetra; previamente se muestre suelo

    A

    10 cm

    BC

    D

    E

    F

    HG

    I

    J

    A

    10 cm

    BC

    D

    E

    F

    HG

    I

    J

    Figura 1. Esquema del IPCCAS armado y montado en campo:A) reservorio principal (Mariotte 63.5 mm dimetro);B) tapones de goma No. 12; C) tubo de burbujeo (9.0 mmdimetro); D) tubo de salida de agua; E) vlvula de paso;F) anillo sencillo (88.0 mm dimetro y 80.0 mm longitud);G) tubo de purga y medicin de la carga hidrulica (12.0 mmde dimetro por 200.0 mm de longitud); H) base de soporte;I) carga hidrulica constante y J) profundidad de insercindel anillo (60.0 mm).

  • 290 TERRA LATINOAMERICANA VOLUMEN 26 NMERO 4, 2008

    superficial (a 100 mm de la insercin del anillo), con uncilindro metlico con 54.5 mm de dimetro y 50.0 mmde longitud para calcular la humedad inicial (qi) y ladensidad aparente, as como la densidad real(picnmetro), la textura (hidrmetro de Bouyoucos) y elcontenido de materia orgnica, segn Walkley y Black(DOF, 2002), por oxidacin hmeda .

    Se compararon mediciones en los mismos sitios conel permemetro Guelph (Soil-Moisture-Equipment,1991), excepto en los suelos arenosos, donde no pudoinstalarse debido al colapso de la perforacin en lasuperficie del suelo.

    Mtodos de Clculo de la Conductividad HidrulicaSaturada de Campo, Ksf

    La infiltracin medida con infiltrmetro de anillosencillo se representa grficamente comotiempo vs. infiltracin acumulada, con dos fases:

    la transitoria (sucesin de puntos con rpido cambio dependiente), dominada por el componente capilar del suelo,y la estacionaria (lnea recta), dominada por elcomponente gravitacional y la Ksf (Elrick y Reynolds,1992).

    Otra forma de representacin es el tiempo vs. lainfiltracin instantnea o tasa de infiltracin I reportadacomo lmina/tiempo. La curva con forma de J invertidatiene dos fases. En la Figura 2 se muestran ambas formasde representar la infiltracin como una funcin deltiempo.

    Matemticamente, el flujo de agua en faseestacionaria (rgimen estacionario) de un infiltrmetrode anillo sencillo puede representarse como:

    QPI = r2Ksf + (r/GPI) (Ksf . H + m)

    donde: QPI = flujo de agua fuera del infiltrmetro, constante (3.1416), r = radio del anillo,

    Cuadro 1. Ubicacin y caractersticas de los sitios de muestreo.

    Clasificacin WRB (1998). Clasificacin con la leyenda del mapa mundial de suelos FAO (1970).

    Zona Sitio y pendiente Coordenadas Textura Observaciones

    Volcn Jorullo Volcn Jorullo Pendiente < 10% 1014323 W 185649 N Arenosa-francaArenosoles tfricos y hplicos

    (SERINE, 2006) en ladera baja de cono volcnico.

    Umcuaro Pendiente < 10% 1011415 W 19316 N Franco-limosaLadera baja con Andosol hmico sobre basalto (INEGI, 1979b, 1982)

    Ladera baja de cono cinertico, Acrisoles rticos y Litosoles sobre basalto (INEGI, 1978a, 1979a)

    Cointzio Pendiente < 10% Franco arcillosa

    Valle de Atcuaro (Zimpanio Sur) Pendiente < 10%

    Valle aluvial, Acrisol rtico sobre basalto (INEGI, 1978a, 1979a)

    Huiramba Pendiente < 10%

    Hombro de ladera, superficie cumbral y ladera alta en lomero ignimbrtico Acrisol rtico/Litosol (INEGI, 1978b; Bigioggero et al ., 2004)

    Arcillo-limosa

    1011655 W 19386 N

    1011134 W 193612 N

    1012421 W 19317 N

    Sur de Cuitzeo

    Areno-limosa

    Cuadro 2. Caractersticas qumicas del agua empleada en los ensayos de infiltracin.

    Na+ K+ Ca2+ Mg2+ CO32- HCO3

    - Cl- SO42-

    dS m-1

    Purificada potable 6.37 0.216 8.39 2.8 42 39.6 0 67.1 47.92 19.2Toma municipal I 6.21 0.348 44.73 4.16 52 34.8 0 189.1 21.3 14.4Toma municipal II 6.76 0.302 36.72 8.32 44 32.9 0 140.3 28.4 16.8

    Cationes Aniones

    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - mg L -1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

    Fuente del agua pH CE

  • 291GMEZ ET AL. USO DE UN INFILTRMETRO DE CARGA CONSTANTE Y ANILLO SENCILLO

    Ksf = conductividad hidrulica saturada de campo,H = altura de carga y fm = componente capilar (Reynoldsy Elrick, 1990; Elrick y Reynolds, 1992). El productoKsf x H es la presin hidrosttica del flujo y GPI elparmetro de forma GPI = 0.316(d/r)+0.184; d es laprofundidad de insercin del anillo y r su radio.

    As, QPI depende de la combinacin de flujos verticaly horizontal en el suelo. Wu y Pan (1997) desarrollaronuna solucin generalizada para infiltrmetros de anillosencillo, utilizando escalamiento tridimensionalaxisimtrico a partir de la ecuacin de Richards, yresolvieron el problema de la complejidad del flujotridimensional de una fuente finita inundada (anillosencillo). Posteriormente, al aplicar la solucingeneralizada, Wu et al. (1999) desarrollaron dos mtodospara calcular la Ksf a partir de datos de infiltracinacumulada.

    En el presente trabajo se aplicaron dos mtodos deWu et al. (1999) y el denominado de dos cargas paraanillo sencillo (DCAS) para calcular la Ksf. Los mtodosse describen a continuacin.

    El mtodo Wu1 utiliza datos de la curva deinfiltracin acumulada sin necesidad de separarlos porfases y adopta la forma:

    Ksf = (Dq ls)/Tc (1)

    siendo Ksf la conductividad hidrulica saturada de campo,Dq = qf-qi; la diferencia en el contenido de humedad alinicio (qi) y final del ensayo (qf), donde adems;

    ls=1/2{(h+G)2+4GC}-(h+G)}Tc=1/4(Ba/bA)2

    C =1/4Dq(B/b)2(a/A)

    donde: h es carga hidrulica, G es el factor de formad+(r/2), d es la profundidad de insercin del anillo yr su radio. A y B son coeficientes obtenidos por regresinde mnimos cuadrados para los datos de infiltracintiempo vs. lmina acumulada, a = 0.9084 y b = 0.1682correspondientes al intercepto y pendiente de la ecuacingeneralizada (Wu et al., 1999). El mtodo se aplicusando la primera (h1) y la segunda (h2) carga hidrulica.

    El mtodo Wu2 utiliza datos de la fase estacionariade la curva de infiltracin acumulada (tiempo vs. lminaacumulada, Figura 2A) y emplea los coeficientes delintercepto y la pendiente de la ecuacin generalizadaa = 0.9084 y b = 0.1682

    La solucin con este mtodo adopta la siguienteforma:

    Ksf = A/(af) (2)

    donde: Ksf es la conductividad hidrulica saturada decampo, A es la pendiente de la recta obtenida porregresin de mnimos cuadrados (tiempo vs. lminaacumulada), a = 0.9084 es el intercepto de la ecuacingeneralizada obtenida por Wu et al. (1999). El parmetrof se define, a su vez, como:

    f = {[h+(1/ax)]/Gx}+1

    donde: h es la carga hidrulica, Gx el factor de forma,definido como Gx = d+(r/2), donde: d es la profundidadde insercin del anillo y r el radio de ste.

    Figura 2. Curvas experimentales de infiltracin acumulada (A) e infiltracin instantnea (B). Se diferencandos fases: la fase transitoria (Ft) o de humectacin con flujo no estacionario y la fase estacionaria (Fe).

    Tiempo (h) Tiempo (h)

    Infil

    traci

    n a

    cum

    ulad

    a (m

    m)

    Infil

    traci

    n a

    cum

    ulad

    a (m

    m)

  • 292 TERRA LATINOAMERICANA VOLUMEN 26 NMERO 4, 2008

    El valor de ax representa el componente capilar, susvalores se tomaron de la tabla de Elrick y Reynolds(1992). De acuerdo con estos autores ax adquiri losvalores de 4 m-1 para la arcilla Atcuaro, 12 m-1 para ellimo Umcuaro y el suelo franco Cointzio, y 36 m-1 parala arena Huiramba y la arena Jorullo.

    El mtodo de Dos Cargas para Anillo Sencillo(DCAS) usa datos de lmina acumulada de la faseestacionaria, los gastos (q1 y q2) para dos cargashidrulicas (h1 y h2), adems del valor (Gamma) ofactor de forma que relaciona la profundidad de insercindel anillo d y el radio del anillo (r). DCAS permitecalcular la Ksf, empleando las siguientes ecuaciones:

    Kf s= pr [(q2-q1)/h2-h1] (3) = 0.316x (d/r) + 0.184 (4)

    La Ksf con el permemetro de Guelph se obtuvoaplicando el mtodo recomendado por el fabricante (Soil-Moisture-Equipment, 1991).

    RESULTADOS

    La Ksf obtenida por los dispositivos (IPCCAS yGuelph) y mtodos, se compar por anlisis de varianza.El permemetro de Guelph fungi como dispositivo ymtodo de referencia. Para diferencia entre tratamientosse aplic la prueba de diferencia significativa honestade Tukey (Tukey DSH) para tamao de muestra desigual(Smith, 1971) en su variante de formacin de gruposhomogneos . La segunda parte del anlisis respecto ala sensibilidad y la variacin en la textura, los sitios (condistintas texturas) se tomaron como tratamientos.

    En el caso del segundo y tercer objetivo, las hiptesisfueron: Ho: no existe diferencia significativa entre lostratamientos (dispositivo-mtodo); Ha: existe diferenciasignificativa entre un par de tratamientos(dispositivo-mtodo). Para el cuarto objetivo, lashiptesis fueron: Ho: no existe diferencia significativaentre los tratamientos (sitio-textura), Ha: existe diferenciasignificativa entre un par de tratamientos (sitio-textura).

    Los ajustes se realizaron empleando el programaOriginV7.0220 OriginLab Corp. y los anlisisestadsticos se llevaron a cabo dentro del Statistica paraWindows (StatSoft, 1998).

    Se realizaron 147 ensayos de infiltracin, 38 con elpermemetro de Guelph y 109 con el IPCCAS. Lossuelos estuvieron muy secos al inicio de los ensayos de

    infiltracin (i < 0.1 cm3 cm-3) a excepcin del limoUmcuaro y la arcilla Atcuaro (0.114 y 0.285 cm3 cm -3).

    El Cuadro 3 resume los resultados de Ksf, los valoresmas bajos (5.47, 2.23 y 2.78 mm h-1) se obtuvieron en laarcilla Atcuaro. En el limo Umcuaro, el IPCCASgener valores de Ksf negativos en cuatro ensayos con elmtodo DCAS y se excluyeron del anlisis. Elpermemetro de Guelph produjo resultados negativos encuatro de los seis ensayos del sitio y stos se eliminaron(Cuadro 3). El anlisis de varianza de una va para estesitio rechaza la hiptesis nula (Ho) para dispositivo-mtodo (F = 11.513, P < 0.001). La prueba de TukeyDSH indic diferencias significativas entre el IPCCASy con el mtodo DCAS respecto a los mtodos deWu1_h1 (P = 0.0001), Wu2_h1 (P = 0.0035) y Wu2_h2(P = 0.0257). No hubo diferencia significativa entre losmtodos de Wu para estimar la Ksf, entre el IPCCAScon el mtodo DCAS y el permemetro de Guelph(Cuadro 3).

    Para el suelo franco Cointzio, hubo diferenciasignificativa al menos en un par de tratamientos(dispositivo-mtodo) (F = 3.8493, P = 0.0059; Horechazada). Aqu, el mtodo DCAS gener resultadosnegativos para 12.5% de los ensayos. El valor alto delpermemetro de Guelph (325.73 mm h-1) estuvo afectadopor el valor mximo de Ksf 1565 mm h-1. En este sitio, elvalor disparado de Ksf est asociado a la presencia degaleras de Pappogeomys tylurhinus (tuza); removiendoeste dato, los valores mnimo (13.36 mm h-1), mximo(233.91 mm h-1), promedio (118.77 mm h-1) y desviacinestndar (80.74 mm h-1) para el permemetro de Guelphson similares a los de los otros mtodos empleados y nohay diferencias significativas con stos.

    En cuanto a la arena Jorullo, el promedio de Ksf mselevado correspondi al mtodo Wu2_h1(963.41 mm h-1), mientras que con el mtodo Wu2_h2,el promedio fue menor (4.14 mm h-1). No se encontrdiferencia significativa entre los tratamientos(dispositivo-mtodo; se acepta la Ho) (Cuadro 3).

    Para la arena Huiramba, los valores de Ksf seubicaron entre 88.77 y 63,229.53 mm h-1. No seencontraron diferencias significativas entre tratamientos(dispositivo-mtodo; no se rechaza la Ho) (F = 3.278,P = 0.039), debido al bajo nmero de muestras y la altadispersin de los datos (con el metodo DCASse obtuvieron Ksf negativos y se eliminaron 62.5% de losensayos). Cabe mencionar que en los dos sitios arenososno se pudo instalar el permemetro de Guelph, ya que laperforacin para introducir la sonda del permemetro

  • 293GMEZ ET AL. USO DE UN INFILTRMETRO DE CARGA CONSTANTE Y ANILLO SENCILLO

    (50.0 x 120.0 mm) colapsaba debido a la carencia deestructura del material.

    Otras propiedades cuantificadas se presentan en elCuadro 4. El mayor espacio poroso correspondi a

    Cuadro 3. Comparacin entre mtodos de obtencin de la Ks f .

    El primer nmero es el promedio. El nmero entre parntesis es la desviacin estndar. n corresponde al nmero de muestra. Comparacin entre mtodos del mismositio (*) P < 0.05, (**) P < 0.01, misma letra indica pertenencia al mismo grupo; letras distintas indican pertenencia a diferentes grupos. Mtodo de Wu1 con laprimera carga (Wu1_h1), mtodo de Wu2 con la primera carga (Wu2_h1), con la segunda carga (Wu2_h2), mtodo de dos cargas para anillo sencillo (DCAS) ypermemetro de Guelph.

    la arcilla Atcuaro (0.570 cm3 cm-3) y el menor al limoUmcuaro (0.370 cm3 cm-3). Diversos autores reportancambios en la porosidad de suelos volcnicos comoresultado de actividades agrcolas y pecuarias

    Sitio Wu1_h1 Wu2_h1 Wu2_h2 DCAS Guelph

    5.497 2.231 2.782(-8.163) (-3.185) (-2.584)n = 26 n = 26 n = 13

    a a a79.551 150.401 191.27 508.92 95.05(-63.58) (-82.86) (-75.31) (-442.94) (-97.09)n = 36 n = 36 n = 30 n = 26 n = 3

    a a a b (**) a, b (*)71.46 88.38 97.12 143.2 325.73

    (-80.65) (-75.28) (-78.83) (-123.74) (-551.57)n = 26 n = 25 n = 25 n = 21 n = 7

    a a, b a, b a, b b (*)708.3 963.41 4.14

    (-722.37) (-758.28) (-0.96)n = 9 n = 11 n = 11

    a a a848.19 3975.24 4506 21827.68

    (-949.35) (-2490.74) (-3218.53) (-33229.53)n = 8 n = 8 n = 8 n = 3

    a a a a

    Arcilla Atcuaro ---- ---

    Franco Cointzio

    Limo Umcuaro

    Arena Jorullo ---- ----

    Arena Huiramba ----

    Cuadro 4. Caractersticas de los suelos.

    qi = humedad inicial, qf = (humedad final), Dq = diferencia de humedad, DA = densidad aparente, DR = densidad real, EP = espacio poroso, MO = materiaorgnica. El primer valor corresponde al promedio, el nmero entre parntesis a la desviacin estndar y n al nmero de muestra.

    Sitio q i q f Dq DA DR EP MO

    cm3 cm-3 %

    0.295 0.489 0.193 1.317 2.224 0.57 2.082(-0.034) (-0.084) (-0.081) (-0.119) (-0.254) (-0.047) (-0.565)n = 28 n = 27 n = 27 n = 27 n = 27 n = 24 n = 250.114 0.742 0.627 0.704 1.942 0.37 5.19

    (-0.55) (-0.079) (-0.139) (-0.069) (-0.7) (-0.038) (-0.561)n = 23 n = 23 n = 23 n = 28 n = 27 n = 26 n = 280.047 0.406 0.366 1.04 2.4 0.437 4.328

    (-0.012) (-0.088) (-0.085) (-0.1) (-0.32) (-0.066) (-1.048)n = 26 n = 26 n = 26 n = 28 n = 26 n = 26 n = 250.026 0.287 0.262 1.18 2.71 0.522 2.53

    (-0.025) (-0.08) (-0.071) (-0.217) (-0.248) (-0.712) (-1.251)n = 13 n = 12 n = 12 n = 12 n = 12 n = 12 n = 120.052 0.268 0.215 1.217 2.18 0.451 1.1

    (-0.056) (-0.036) (-0.06) (-0.83) (-0.342) (-0.066) (-0.45)n = 8 n = 8 n = 8 n = 8 n = 8 n = 8 n = 8

    Arena Jorullo

    Arena Huiramba

    Limo Umcuaro

    - - - - - g cm-3 - - - - -- - - - - - - - - cm3 cm-3 - - - - - - - - -

    Arcilla Atcuaro

    Franco Cointzio

  • 294 TERRA LATINOAMERICANA VOLUMEN 26 NMERO 4, 2008

    (Ball et al., 1997; Singleton et al., 2000). En cuanto ala materia orgnica, el limo Umcuaro mostr el mayorcontenido (5.190%) considerado normal para suelos deorigen volcnico (Porta et al., 1999). El valor ms bajose present en la arena Huiramba (1.10 %), lo cual seexplica por la vegetacin escasa y el intemperismoincipiente.

    La Figura 3a muestra la distribucin general de losvalores de Ksf para cada sitio, la amplitud de valorespara las arenas Jorullo y Huiramba, con promedios entre708.3 y 848.19 mm h-1, respectivamente. La dispersines menor para el limo Umcuaro y el suelo francoCointzio y muy reducida en la arcilla Atcuaro. Estafigura es similar a la Figura 3B, donde la arena Huirambamantiene una dispersin semejante, y es menor en la arenaJorullo. En la Figura 3a la dispersin de los valores deKsf para la arcilla Atcuaro, el limo Umcuaro y el suelofranco Cointzio son similares a los obtenidos con elIPCCAS con el mtodo Wu2 (Figura 3b).

    Los resultados y los anlisis estadsticos muestranque el funcionamiento del IPCCAS es adecuado y quelas soluciones matemticas planteadas, comparadas conun equipo de referencia (permemetro de Guelph), nopresentan diferencias estadsticas significativas en lamayora de los casos (Cuadros 3 y 5). Se detect unadependencia de la textura (Cuadro 5), en donde los suelosms gruesos (arenas Jorullo y Huiramba) presentan losvalores ms elevados de Ksf mientras que los de texturasms finas (limo Umcuaro, suelo franco Cointzio y arcilla

    Atcuaro) mostraron valores menores; los valores msbajos se obtuvieron en la arcilla Atcuaro.

    DISCUSIN

    Los valores de Ksf promedio (del IPCCAS) variaronentre 2231 mm h-1 para la arcilla Atcuaro y21827.68 mm h-1 para la arena Huiramba. Los valorespara los Andosoles hmicos (limo Umcuaro) van de5.13 a 398.94 mm h-1, con promedio de 150.40 mm h-1(mtodo Wu2_h1), son similares a los obtenidos por otrosautores. Regalado (2005) reporta Ksf de 99.50 y102.16 mm h-1 a partir del escalamiento de curvas deretencin de humedad.

    En cuanto al consumo de agua, el IPCCAS requirientre 0.3 y 1.5 L para la arcilla Atcuaro, 1.0 y 5.2 Lpara el limo Umcuaro, 0.5 y 2.5 L para el suelo francoCointzio, entre 7.5 y 12.5 L para la arena Huiramba yentre 3.5 y 8.5 L para la arena Jorullo, dependiendo delmtodo. Aun cuando el consumo de agua parece pocorelevante, en nuestra experiencia, en suelos con Ksfmedias o altas, la cantidad de agua que el equipo detrabajo puede transportar hasta el sitio donde se conducenlos ensayos es una limitante en la caracterizacin de laKsf, especialmente en terrenos no agrcolas alejados decaminos y, por lo tanto, de vehculos de apoyo. En estesentido, los mtodos de Wu fueron los ms econmicosen agua, reducindose entre 50 y 75% el consumorespecto al mtodo DCAS, permitiendo realizar el doblede ensayos de infiltracin con el mismo volumen de agua.

    Figura 3. Grficas de bigotes (desviacin estndar) y cajas (error estndar) para la Kfs (mm h-1) en los diferentes sitios empleando

    el mtodo Wu1_h1 (A) y Wu2_h1 (B); entre parntesis se anota el promedio de Kfs para cada sitio.

  • 295GMEZ ET AL. USO DE UN INFILTRMETRO DE CARGA CONSTANTE Y ANILLO SENCILLO

    Comparacin con el Permemetro de Guelph

    En este trabajo, el permemetro de Guelph funcioncomo una referencia metodolgica y no como el nicomtodo vlido admisible. ste permiti minimizar el errorasociado al dispositivo y mtodo de clculo paracomparar entre condiciones distintas del suelo superficialque, de acuerdo con Perkins et al. (2007) es la parte delsuelo ms expuesta a modificaciones.

    Paz-Gonzlez et al. (2001) han expresado que lacomparacin entre mtodos (caso especfico delpermemetro de Guelph y un infiltrmetro de tensin)no es vlida en una base punto por punto, ya que losdatos se toman en ubicaciones diferentes. Slo es posiblecomparar la variacin general y la tendencia en escalade parcela.

    Aqu comparamos los mtodos de procesamientoutilizando los mismos datos para cada uno de los puntos,por lo que es factible comparar punto por punto paracada uno de los mtodos, sin embargo, la presencia deresultados negativos ocasion inesperadamente lareduccin del nmero de muestras de varios mtodos,incluyendo el de referencia. Por ello, el dispositivoconstruido y aqu descrito permiti estimar la Ksf sinmostrar diferencias respecto al permemetro de Guelph.

    Como se mencion, no fue posible montar elpermemetro de Guelph en los sitios Huiramba y Jorullo,debido al colapso del material. Si bien esto no ocurre enla mayora de los suelos, limita los ambientes de muestreopara el dispositivo de referencia, ya que requiere deaditamentos especiales para funcionar en materiales sinestructura, lo cual incrementa el costo. Con el IPCCASno hubo contratiempos de este tipo. Este dispositivo estlimitado a ensayos superficiales, por lo queel comportamiento y la variacin de la Ksf en otros

    horizontes del suelo se encuentra fuera de su alcance,situacin que no ocurre con el permemetro de Guelph,capaz de medir la Ksf hasta 80 cm de profundidad sinnecesidad de aditamentos especiales.

    Valores Negativos

    Mertens et al. (2002) explican que el mtodo DCASsuele generar valores de Ksf negativos porque el flujosaturado de h1 es menor que el de h2. Esto es posibleporque en los sitios arenosos, en la h1, una vez saturadoel suelo, se reduce la cohesividad del material; luego, alelevar la carga, la entrada violenta de agua remueve partede las arenas confinadas dentro del anillo delinfiltrmetro, lo cual genera macroporos y canales deflujo preferencial, as como mayor gasto en la h2,respecto a h1.

    En cuanto al permementro de Guelph, Elrick yReynolds (1992) reportan la obtencin de valoresnegativos hasta del 45% de los ensayos, y concuerdancon este trabajo (50% de los ensayos en el limoUmcuaro). Segn Elrick y Reynolds (1992), los valoresnegativos se deben a la heterogeneidad del suelo.

    Valores Extremos

    El mtodo DCAS produjo los Ksf promedio mselevados (508.92 mm h-1, limo Umcuaro). Elpermemetro de Guelph present un valor extremo(1565.00 mm h-1, suelo franco Cointzio) asociado abioturbacin por la presencia de tuzas. Para la arenaHuiramba el valor promedio de Ksf fue de 21827.68mm h-1, el cual est influido por un dato extremo(60,182.42 mm h-1) cuya causa se desconoce, peropuede estar asociada a la granulometra del material(arenas y gravas, presencia de capa gravosa debajo delas arenas).

    Consideraciones de los Mtodos y el Dispositivo

    Los mtodos de Wu fueron ms consistentes y sindiferencias significativas entre s. En el Wu1, aunque setrabaj con el total de los datos, el ajuste no fue adecuadopara algunos ensayos (arena Jorullo), por lo que sedesecharon (27%). El Wu2 requiri segregar la fase deflujo estacionario y emplear un valor de ax, siendo elmtodo ms consistente, pues se ajust al modelo, noprodujo valores de Ksf negativos y requiri slola aplicacin de una carga; adems, tuvo un consumo de

    Cuadro 5. Comparacin entre de la Ksf obtenida para losdistintos sitios/texturas.

    Wu1_h1 a1 a1 a1 b1 (**) b1 (**)Wu2_h1 a2 b2 (**) a2 b2 (**) c2 (**)Wu2_h2 --- a3 a3 --- b3 (**)Guelph a4 a4 a4 --- ---DCAS --- a5 a5 --- b5 (*)

    Arena Jorullo

    Arena Huiramba

    Arcilla Atcuaro

    Mtodo/ Sitio

    Limo Umcuaro

    Franco Cointzio

    Misma letra en el rengln indica pertenencia al mismo grupo, letra distintaindica pertenencia a otro grupo y diferencia significativa (*) P < 0.05, (**)P < 0.01. El nmero es para diferenciar el mtodo comparado. Mtodo deWu1 con la primera carga (Wu1_h1), mtodo de Wu2 con la primera carga(Wu2_h1), con la segunda carga (Wu2_h2), permemetro Guelph (Guelph)y mtodo de dos cargas para anillo sencillo (DCAS).

  • 296 TERRA LATINOAMERICANA VOLUMEN 26 NMERO 4, 2008

    agua menor que el mtodo DCAS. La aplicacin de axes cuestionada por Amoozegar (2002); sin embargo, evitala necesidad de tomar muestras de campo antes y despusde los ensayos para estimar D.

    Wu et al. (1999) mencionan que el mtodo Wu2 essensible al nmero de registros en la fase estacionaria,por lo que es importante llevar a cabo medicionesconstantes al menos cada 5 min.

    Debido al flujo estacional a travs de macroporosidadde algunos suelos, como los Vertisoles, la aplicabilidaddel dispositivo presentado deber evaluarse. Los sitiosAtcuaro, Umcuaro, Cointzio y Huiramba sonedafolgicamente contrastantes y sirven como unapequea muestra de la variacin de la Ksf en la escaladel relieve volcnico en la parte sur de la cuenca deCuitzeo. Finalmente, an cuando el dispositivo funcionade manera eficiente, es necesaria una supervisinconstante y un registro minucioso de los niveles de aguapara obtener los datos y calcular la Ksf. Este trabajorutinario es susceptible de automatizarse con dispositivossimilares a los empleados por Ankeny (1992).

    CONCLUSIONES

    - Se presenta un dispositivo construido con bajo costo(aprox. US $60.00) y fabricacin sencilla, consume aguaentre 0.3 y 12.5 L, dependiendo de la textura del suelo,su resolucin estadstica es igual a la de un equipocomercial y capta eficientemente la variacin de la Ksfasociada a la variacin textural, la porosidad y lapresencia de bioturbacin.- De los tres mtodos para clculo de la Ksf, aplicadoscon el dispositivo construido y comparados con el dereferencia (permemetro de Guelph), el mtodo Wu2 esel ms apropiado por trabajar con la mitad del aguarequerida por el mtodo de dos cargas para anillo sencillo(DCAS) sin la necesidad de obtener el valor D. Unadesventaja del infiltrmetro porttil de carga constantey anillo sencillo (IPCCAS) es que funciona a nivelsuperficial, pues no permite obtener datos de Ksf aprofundidad, como algunos dispositivos comerciales.Aun con las desventajas y limitaciones que presenta elIPCCAS, permite obtener datos de campo para estimarla Ksf a un costo inferior al de los equipos comnmenteutilizados para este fin.

    AGRADECIMIENTOS

    El financiamiento para este trabajo se obtuvo a travsde una beca doctoral del CONACyT, para el primer

    autor, as como un proyecto CONACYT-SEMARNAT(SEMARNAT-2002-C01-00012) Diagnstico integradoy priorizacin de alternativas de rehabilitacin para lasustentabilidad de la cuenca de Morelia (Cuitzeo).Deseamos agradecer al personal del INIRENA-UMSNHy a SERINE, S.C. por proporcionar instalaciones yapoyo logstico en el volcn Jorullo. Tambin se agradecea la M. en C. Ma. Concepcin Aptiga por el apoyo enla identificacin de especmenes, as como los editores ylos rbitros annimos quienes ayudaron a mejorarsignificativamente el manuscrito.

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