I .

SOCIEDAD MEXICANA DE LA CIENCIA DEL SUELO .

XXI CONGRESO NACIONAL DE LA CIENCIA DEL SUELO DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE LA

CIENCIA DEL SUELO, CD. JUAREZ, CHIHUAHUA. 8 - 'il de noviembre de 1988.

! I

EL SIMULADOR DE LLUVIAS: UNA HERRAMIMTA PARA LA CARACTERIZACION

HIDRODINAMICA, DE LOS SUELOS.

EL SIMULADOR DE LLUVIAS: UNA HERRAMIENTA PARA LA CARACTERIZACION

HIDRODINAMICA DE LOS SUELOS.

Jean ASSELINE

ORSTOM ( I n s t i t u t o Francés de Investigación para el Desarrollo en Cooperaciôn) I n s t i t u t o de Ecologia (México)

,

INTRODUCCION.

E l agua es u n elemento esencial para l a vida y para todo desarrollo.

Sólo el adecuado conocimiento de l o s procesos, naturales ligados a l a acción

del agua puede permitir a l hombre intervenir para mejorar l a economía,

acrecentar l a producción vegetal o animal y d i s m i n u i r los efectos nocivos o

desvastadores d e 1 as fuer tes 1 luvias. I

3 Durante s ig los l o s campesinos han observado l o s eventos naturales y

han obtenido a t ravés de ellosconocimientos empíricos.

mejorado l o s métodos de investigación a trav'és de l a experimentación en

parcelas de observación, por medio de las cuales son medidos y analizados

los efectos d e l l u v i a s simuladas sobre lo s suelos y l a s plantas.

Los c i e n t í f i c o s han

I

. Conocer l a s posibil idades,de in f i l t r ac ión del agua en lo s suelos es u n

dato esencial que se viene tratando de medir con precisión desde hace mucho

tiempo. Con este f i n , numerosos métodos han s ido o son todavía u t i l i zados ,

como por e jempl o :

1. En campo: Método: - MUNTZ - MUNTZ modificado por PIOGER - PORCHET

1

$

2. En laborator io: Metodo -VERGI ERE

y o t r o s mas.

L

Estas técn icas de medición proporcionan informaciones Ú t i l e s , sobre todo

I comparativas, pero t ienen muchos defectos al medir u n fenómeno bajo una lámina

de agua (po r l o t an to ba jo una carga), o de perturbar seriamente el suelo y ,

por consiguiente, de a l e j a r se de l o s mecanismos naturales reales .

tados obtenidos con l a ayuda de estos métodos estan frecuentemente alejados

de l o que sucede realmente en condiciones naturales y no pueden proveernos

valores absol u tos .

Los resul-

\

Las carencias de estos métodos pusieron en evidencia l a necesidad de

nuevas técnicas mas cercanas de l a s condiciones naturales pero sin el azar y . I

* I

l o s caprichos d e e s t a misma naturaleza, porque, para es tudiar b i e n u n fenómeno

sabemos que l o ïdeal es poder reproducirlo a voluntad.

As7 nació l a idea de rea l izar aparatos que permitieran reproducir

a r t i f ic ia lmente 1 luv ias con ca rac t e r í s t i ca s semejantes a l a s 1luvias;naturales:

l o s simuladores de lluvias..

responder a e s t a s exigencias,pero el mismo estaba l imitado a tres fue r t e s

intensidades (64, 83 y 117 mm/h),' as7 como a u n área c i r cu la r reducida.

En l o s Estados Unidos (Nebraska) s e puso a p u n t o un gran simulador de l l u v i a s

(SWANSON, 1965), que .permitía i r r i g a r dos parcelas de 50 metros cuadrados cada

una con intensidades de 50, 60, 90 y 120 m/h.

r

E l infiltrômetro de BERTRAND y PAAR (1960) v i n o a

1 .

Es sobre e s t e modelo que l a

c ORSTOM construyó en Costa de Marfil en 1972 u n aparato que t i ene l a ventaja

de r ea l i za r l l u v i a s sobre parcelas de 10 m de largo, l o que permite observar

l o s efectos de un.comienzo de escurrimiento encauzado. ,

Durante seis años numerosos estudios se real izarbn con este simulador

sobre un t r ansec t0 clim5tico que va d e Abidjan (Costa de Marfil , 1.800 rran de -

l luvia anualll) hasta l a zona pre-sahariana (Burkina Fasso y Niger, 200 m m . ) .

El elevado costo de su transporte y funcionamiento ( u n ingeniero,

4 técnicos, varios peones trabajando 8 dias para l a instalación de una ex-

periencia; 2 camiones, 2 vehïculos todo-terreno, 4 motobombas, una planta

electrógena, 2 reservorios de 30 metros ctlbicos cada uno , e t c . ) , nos

condujeron a diseñar u n modelo de menor costo, mayor mov i l idad y que no

estuviera res t r jngido a sólo 4 intensidades f i j a s de l luv ias .

~*

En 1976, pusimos a p u n t o en Abidjan (Costa de Marfil) u n minisimulador

de l luvia cuya primera versión permitía t r aba ja r con una gama de intensidades

comprendidas en t re 37 y 150 mm/h.

algunas modificaciones COM el f i n de obtener intensidades menores y de d i s m i n u i r

el consumo de agua. E l modelo actual en sus dos versiones (cabeza mecánica o .

electrónica) permite t r aba ja r con intensidades comprendidas entre 12 y 150 mm/h,

siendo posible cambiar de intensidad en cualquier momento durante l a marcha

Desde entonces el aparato ha sufrido

, *

de l a experiencia. Para su 'manipulaci6n se requiere s ó l o dos o t r e s personas,

L . - u n vehículo todo-terreno y una cis terna de u n metso cúbico.

?

Principios de l a simulación de l luv ias .

E l aparato fu'e concebido para permitir simular l luv ias de intensidades

predeterminadas (conocidas y regul adas) sobre una superf ic ie cuadrada de

aproximadamente cuatro metros cuadrados, a l centro de 1 a cual e s t á . instalada

en el suelo una parcela de u n metro cuadrado, ubicada en el sentido de l a

pendiente.

el agua no i n f i l t r a d a en el suelo.

const i tuye el escurr i m i ento.

i

La parcela en su parte baja presenta u n pequeño canal que recibe

Esta agua s e recupera por gravedad y

3

1

La cantidad de escurrimiento es medida:

- de manera continua con l a ayuda de un limnígrafo, o

- de manera discontrnua tomando muestras con una probeta cada minuto.

Conociendo l a intensidad de l a l luv ia y l a ' intensidad del escurrimiento,

por diferencia podemos conocer l a i n f i l t r ac ión del agua en e.1 suelo.

A

d

O I- z W

. .

A - 'Hietogramo B - Hidrogramo

' c - TURKDIGRAM0

D - Solidigramo. 0 - Muestras

- --I I 1

. I

I

Principio de funcionamiento de u n minisimulador de l luv ias .

Un s o l o aspersor ( t i p o TEE JET 5560), alimentado con agua a presión

constante, provee u n chorro de agua plano en forma de abanico. 'Este aspersor,

ub

de

ba

cado a 3,70 m de a l t u r a cdn respecto al suelo, es sometido a un movimiento

balanceo. La superficie i r r igada es proporcional a l a amplitud de e s t e

anceo. E l caudal aspersado es siempre constante, por l o tan to , a medida

que aumenta l a super f ic ie i r r igada , l a parcela central recibe menos agua, y

viceversa. L

. .

1

I

- 5ngulo de osci lación pequeño - iingulo de osci lación grande - super f ic ie i r r igada reducida. - super f ic ie i r r igada mayor - f u e r t e intensidad de l l u v i a - débil intensidad de l l u v i a

Un d i s p o s i t i v o mecánico o electrónico permite controlar l a amplitud de

balanceo del aspersor y hacerlos v a r i a r a voluntad.

A cada amplitud Corresponde*una intensidad de l l uv ia . Esta intensidad ! .

es verificada antes y después de cada l l u v i a por medio de un pluvi6metr-o

instalado en l a parcela.

5

Descri pcidn del simul ador.

Esquema de u n simu3ador de l luv ias . 1

.#&..IC. .I,

C,,II. . . e,... --res II "D.1.8. ,o.., Y. . , .O,UI

. /

Diagrama del sistema de aspersion.

2 topes

ángulo de osc i lac ión 1 i m i a 70°$

najes amp1 d.el movimi (re1 ación.

i f icadores ento 1/41

I

transmisión de movimiento por frïcciõn permitiendo un balanceo teörico superior a 360°, pero realmente l imitado a 70".

6

E l s i s t e m a de a s p e r s i 6 n e s th montado s o b r e u n armazón en I forma d e t r o n c o de p i r a m i d e c u a d r a d a .

El armazdn

- nuevo disposi t ivo de balanceo 1 -

limitado del aspersor que permi te :

d i s m i n u i r l a s intensidade: reducir 1 a s dimensiones

i\ del cuadro superior eliminar el salpicado r ec i c l a r una par te del

8. 1

super f ic ies de t e l a recoqen' el excedente . d e

2 .canal e t a s 3 a , ewe1 ven a l reservor5o

. \ '

8 . O'

- - l a cal ibración de l a separación entre l a s canaletas permite cambiar 1.a - supe r f i c i e i r r igada. --

7

1

E1 armazón estb cons t ru ido con tubos metálicos cuadrados de 25 y 30 mm.

E l sopor ta l a tuber ía de alimentaci6n del agua, a s í como u n manómetro y l o s

comandos de cal ibración.

Un t o l d o recubre el conjunto a f i n de eliminar l o s efectos del viento.

La ins ta lac i6n de l a parcela es una.operación delicada e importante, I

debe e s t a r ubicada exactamente a

a l a pendiente.

requiere de mucho cuidado. La l i n e a de aber turas que permiten el desagüe

nivel de l a super f ic ie del suelo y perpendicular

mnígrafo a f i n de r eg i s t r a r de manera continua

l a s variaciones de n ive l en el recipiente de recuperación.

1 Es p re fe r ib l e u t i l i z a r un 1

La provisión de agua requiere de una c i s t e rna de por l o menos 600 1, y de

, un reservorio de 100 a 150 1 có1ocado.en el suelo a l lado del minisimulador.

Una pequeña bomba térmica o e l ë c t r i c a , u n sistema de l laves y manómetro

aseguran una presión constante de 0.5 bar

t ivos de recuperación permiten, cuando s e usan intensidades bajas, recuperar una

a n ive l del aspersor. Los d i spos i - I

I * . I 1 - . I 1 - ~ C . - 2 - J - 1 - - -1 -_1- Parze aer agua y l imizar ia super-ricie ae suelo rnojdad.

Performances.

. - . .

I

- 1 1 - Una gama d e intensidades amplia: de 12 a 150 mm/h. E l cambio de intensiaaa

se puede e fec tua r sin interrumpir l a experiencia, l o que da l a posibil idad

de simular una l l u v i a natural con d i s t i n t a s combinaciones de intensidades-

- E l consumo de agua var ía entre 200 y 550 l / h según l a s intensidades-

- Transportable y d e fdcil manipulación durante l o s desplazamientos. ,Un solo*'

vehículo es s u f i c i e n t e para s u t ras lado .

8

- Liviano, de alrededor de 70 k g , se desplaza fácilmente con cuatro personas

y aún con dos personas plegando l a s patas. '

- Costo relativamente modesto.

- Técnica mechica simple en el caso de l a ver

I

i6n no electt$nica, que permite

intervenir en el caso de descomposturas.

- Se puede t r a b a j a r a l abrigo del viento ,gracias a l toldo.

- La energ'ia c ine t i ca d e l a s gotas de l l uv ia es muy s imilar a l a s encontradas i

en l a naturaleza.

Ll u v i a s natural es:

Kelkar : India

,

Relación e n t r e l a energía c iné t i ca y l a s intensidades d e l l uv ia s .

I

I

i

I

l

a

I Campo de u t i l i zac ión del minisimulador.

A l a escala de uno o de pocos metros cuadrados este aparato permite

simular a voluntad eventos l l uv iosos con absoluto control sobre:

- €1 tiempo y l a frecuencia: hora de l a l l u v i a , duraci6n, intervalos entre

eventos , .etc. I

- La intensidad: de 12 a .150 mm/h, con posibil idad de mantenerla constante

o de hacerla cambiar durante el evento.

- La a l tu ra d e l a l l u v i a determinada por el producto de intensidad y duración.

- La energía c iné t i ca resul tante .

- La localización en el espacio: t i p o de suelo y de super f ic ie , cobertura

vegetal, pendiente, etc. .

Es evidente que debe hacerse una descripción minucipsa y rigurosa de l a s

parcelas estudiadas y de su ambiente para i a u t i l i zac iôn u l t e r i o r de l o s

resul tados obtenidos.

La c a r a c t e r i z a c i h de un c i e r to número de parãmetros importantes en este

t i p o de estudios determina l a necesidad del empleo de o t ros aparatos, como

por ejemplo:

- Un equipo que permita seguir e l estado de humectaci6n de l suelo: humidímetro

neutrónico, equipo d e tensiõmetros o , más simple, el método pondera1

mediante el uso de barrena.

destructor de e s t e ìiltimo método hace muy d i f í c i l l a repet ic ión de experien-

c i a s en una misma parcela.

No obstante , hay que recordar que el efecto

- Fotografía v e r t i c a l : con l a ayuda d e un más t i l , de un b a r r i l e t e o d e , #

' globos f i j o s . I

_- ICI --

I I

- Una g r i l l a de t i p o " p o i n t quadrat" como l a s usadas en f i toecologia ,

mejorada con el f i n de sistematizar el reg is t ro de l a cobertura vegetal ,

de l o s estados de l a super f ic ie del suelo y del microrelieve de l a parcela.

E l campo de u t i l i zac ión del minisimulador de l luv ias es vasto, corres-

ponde a cada investigador d e f i n i r l a problemática a resolver, a s í como el

pro toco1 o más 'adecuado.

Este aparato, concebido inicialmente para es tudiar l a capacida de

i n f i l t r a c i ó n y de escurrimiento de suelos (al p r i n c i p i o l o llamamos i n f i l -

trómetro de aspersión) ha v i s t o ampliarse su campo de acción muy rápidamente.

A t í t u l o de ejemplo se ha revelado Ú t i l en muchos o t ros campos como:

- Jest de sens ib i l idad a l a erosi6n.

- Efectos de es t reses h í d r i c o s en estudios ecofis iológicos sobre especies

s i l v e s t r e s o cul t ivadas.

- Determinación de l a a l tu ra de agua necesaria para germinación.

- Efectos de l a energfa c ine t ica de l a s l l u v i a s sobre l a germinaci6n.

- Economía del agua en fun,ción de l a u t i l i zac ión de residuos de l a cosecha

an te r io r en e l caso de l a - p i ñ a y el mijo: m u l c h i n g , quema o enterramiento.

- Efectos d e d i s t i n t a s técnicas de t raba jo de suelos agr5colas en el almace-

namiento del agua en el p e r f i l .

- Efectos de d i fe ren tes t i p o s de l luv ia en l a e f ic ienc ia d e abonos u o t ros

productos f i t o san i t a r i o s u t i1 izados en agr icu l tura .

- Efectos sobre -propagación d e esporas de l a roya de l arroz generada por l a

energía de l a s go ta s"de l l uv ia .

tas: efecto de l a s l l u v i a s sobre l a formaci6n de termiteros. - Ecología de term

- Eficacia de tratamientos contra nemtitodos del pltîtano en funci6n de l a

pluviometría., e tc .

Actualmente 27 aparatos t i p o ORSTOM-ASSELINE están en uso en

16 en Africa, 5 en Europa, 3. en América Latina, 1 (y muy pronto o

México, Estas c i f r a s no incluyen numerosas copias derivadas del

p r i nci p io .

el mundo,

ros 2)en

mismo

Otros numerosos t i p o s de simuladores han s i d o fabricados en el mundo,

como l o menciona el Ing. Sánchez Cohen (Seminarios Técnicos PRONAPA, Vol. 4 ,

No 4, 1987).

e s t e modelo l o hacen más recomendable que o t ros .

- Amplia gama de intensidades.

- Igualmente u t i l i z a b l e en e'l campo como en laborator io .

- Simplicidad en el funcionamiento que hace posible l a multiplicación de l a s

No obstante, l a reuni6n de varias ca rac t e r í s t i ca s favorables en

experiencias.

- Escala de t rabajo de metro cuadrado que l o hacen adecuado para los.estudios I

de de ta l Je y para l a experimentaci6n en el campo.

- Costos de construcción y de u t i l i zac ión modestos.

Sin embarga, es importante no o lv idar que, a l a escala del metro cuadrado,

l a s informaciones obtenidas son perfectamente adecuadas para hacer estudios

comparativos. Particularmente in te resantes en l o que concierne a l a i n f i l t r a -

ción y el escurrimiento. Informaciones para estudios comparativos sobre l a

sensibi l idad a l a erosión pueden igualmente ser obtenidas.

a todo u t i l i zador contra e l pel igro de extrapolación de l o s resultados a

o t r a s escalas , sin haber verificado previamente l a concordancia.

Pero, prevenimos

12

Resultados. Dos ejemplos. ,

Ejemplo 1.

Efecto d e l a formaci6n de costra superf ic ia l debido a l a energfa c inet ica

de l a l l u v i a , sobre l a emergencia del mijo (Niger),.

Al tu ra d e l a Energía d e l a % de hoyos sembrados l l uv ia I l l uv ia productivos

(“1 (joul es/mZ)

35.8 81 20

38.3 45 40 . ^

Ejemplo 2.

.Efectos combinados de intensidad de l l u v i a y de dos técnicas de laboreo

del suelo sobre l a emergencia de l a cebada.

90

80

‘70

60

’ 50

40

Porcentaje d e emergencia de cebada después d e una l l u v i a ,de 28 rmn de a l tu ra con intensidades d e 25 y 84 m/h. La intensidad de 84 mlh fue aplicada de dos modos: con y sin malla protectora-para disminuir l a energía c ine t ica de

l a s gotas. 13

Parcel as :

R84 M - Laboreada con r a s t r a , l l uv ia de 84 mm/h con malla

R25 - Laboreada con r a s t r a , l l uv ia de 25 mm/h sin malla

84 mm/h con malla D84 M - con discos, -

25mm/h sin malla

84 mm/h sin malla

84 mm/h sin malla

I

Il II

I I II II 11 D25 - R84 - D84 -

I I r a s t r a II

11 ‘I discos, I I

En l o s dos casos nosotros constatams que a u n aumento de l a energía

c iné t ica de l a l l u v i a corresponde una disminución de l a emergencia.

puede expl icarse p o r l a formación de una costra en l a super f ic ie de l suelo

que d i f i c u l t a l a emergencia de l a s plantulas.

pulverizan el suelo agrava e s t e efecto.

Esto

E l empleo de aparatos que

I

14

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