UNIVERSIDAD DE COSTA RICA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS

ESCUELA CENTROAMERICANA DE GEOLOGÍA

CURSO DE HIDROGEOLOGÍA

G-4112

Informe de Campo

Aplicación de aforos, métodos de Porchet, doble anillo y flotador en el

sector de río Macho, Vásquez de Coronado, San José

Profesores supervisores:

MSc. Ingrid Vargas Azofeifa

PhD. Marco Barahona Palomo

Estudiantes responsables del informe:

Vicente Portuguez Alvarado

Erick Rodríguez Hernández

Johan Cortés Calderón

Jose Sequeira Arguedas

I Ciclo, 2016

2

Resumen

El presente informe incluye en detalle los procedimientos, resultados obtenidos e

interpretación de las pruebas de infiltración y aforos realizados en una finca localizada en

los márgenes del Río Macho, localizado en el poblado de San Pedro del cantón de Vázquez

de Coronado, zona que se caracteriza por elevados porcentajes de cobertura boscosa y

zacatales. Para ello, se analizaron muestras de suelo, se calculó la recarga potencial al

acuífero utilizando el método de Schosinsky (2006) y se estimaron tasas de infiltración

utilizando el método de Kostiakov para un suelo arenoso de plasticidad alta, producto de

la alteración de lavas, piroclastos y debris flows cuaternarios provenientes de estructuras

volcánicas de la Cordillera Central. En base al procesamiento de los datos se determinaron

índices altos de infiltración y una recarga alta, así también se estima que el nivel del agua

subterránea debe ser somero, pues los aforos indican un caudal moderado para un río con

una cuenca de 7,6 km2 de extensión, tercer orden y considerando que el trabajo de campo

se realizó en época seca.

3

Agradecimientos

Un agradecimiento muy cordial al Lic. Guillermo Rojas, propietario de la Hacienda

Río Macho por su hospitalidad y autorización para realizar el trabajo correspondiente de

hidrogeología.

Asimismo, un agradecimiento a la Escuela Centroamericana de Geología, a la

sección de Geotecnia e Hidrogeología, al personal del laboratorio de Geomecánica y

especialmente a los profesores MSc. Ingrid Vargas Azofeifa y Dr. Marco Barahona Palomo,

instructores del curso de Hidrogeología, por la valiosa experiencia de permitirnos realizar

pruebas de infiltración y aforos, como un aporte vital en la formación de los geólogos

costarricenses.

Atentamente, los estudiantes:

Erick Rodríguez Hernández

Johan Cortés Calderón

José María Sequeira Arguedas

Vicente Portuguez Alvarado

4

Contenido Resumen ............................................................................................................................................. 2

Agradecimientos ................................................................................................................................. 3

I. Ubicación del área de estudio ......................................................................................................... 5

II. Geología Regional ........................................................................................................................... 5

III. Geología Local ................................................................................................................................ 7

IV. Información Climática del área de estudio .................................................................................. 8

V. Delimitación de la microcuenca del área de estudio .................................................................... 9

VI. Cálculo del balance hídrico ......................................................................................................... 10

VII. Descripción del procedimiento aplicado en campo .................................................................. 12

VIII. Resultados obtenidos en los métodos de infiltración ............................................................. 14

Método del Doble Anillo ....................................................................................................... 14

Método de Porchet ............................................................................................................... 16

IX. Descripción de los suelos del área de estudio y capacidad de infiltración ............................... 17

X. Determinación del caudal ............................................................................................................ 22

Aforo con molinete. .............................................................................................................. 22

Método de flotador ............................................................................................................... 23

XI. Ventajas y limitaciones de los métodos utilizados en aforos y pruebas de infiltración ........... 23

XII. Conclusiones ............................................................................................................................... 25

XIII. Recomendaciones ..................................................................................................................... 27

XIV. Bibliografía ................................................................................................................................ 28

5

I. Ubicación del área de estudio La zona de estudio (538100/220350 Lambert Norte) se ubica 4km al noreste de San

Isidro de Vázquez de Coronado, San José, abarcando parte de las hojas topográficas Abra,

Carrillo, Barva, Istarú del Instituto Geográfico Nacional (Escala 1:50000). Las prácticas

hidrogeológicas realizadas durante la gira se efectuaron en el cauce del río Macho y zonas

aledañas, esto en una finca ganadera privada. (Fig.1). El área posee vías de acceso para

todo tipo de vehículos desde San Isidro de Coronado.

Fig.1. Ubicación de la zona de estudio

II. Geología Regional Esta zona se caracteriza por ubicarse de manera general en un área constituida por

suelos de origen volcánico datado del Pleistoceno, específicamente lavas, tefras, debris avalanche y debris flow (Denyer & Alvarado, 2007). Estudios previos basados en metodologías básicas como la revisión bibliográfica, cartografiado geológico, interpretaciones geomorfológicas y análisis petrográfico de muestras de roca obtenidas en campo, brindan un acercamiento a la geología en la zona del cantón de Vásquez de Coronado, sin embargo, esta disponibilidad es limitada e influye en el alcance de esta sección y una eventual localización del área dentro de un mapa geológico apropiado.

Vargas (2001) define cinco unidades litológicas ubicadas en los sectores norte y este del sector de San Isidro de Coronado:

6

Unidad de vulcanitas río Virilla: Consiste de lavas, tobas y lapilli que afloran principalmente en las cercanías de la

hacienda Abigail en Las Nubes de Coronado, sobre los 2000 m.s.n.m, en las quebradas Sangrino, Varela y en el río Durazno. Las rocas de esta unidad presentan un color morado a gris claro con textura porfirítica y vacuolar, además de una clasificación microscópica de la roca como basaltos porfiríticos a vacuolares, ya que la abundancia relativa de fenocristales de plagioclasa alcanza 35%, mientras que de augita se tiene una abundancia del 16 %, principalmente de grano medio, olivinos hasta en un 6 % y magnetita como mineral accesorio. Vargas (2001) describe alteraciones de estas rocas por arcillitización, así como minerales secundarios como calcita y clorita, ocupando vesículas. Así también, el autor identifica dos flujos de lava aflorantes en el río Durazno. Respecto a las tobas se encuentran aflorando principalmente en el río Virilla con un espesor máximo de al menos 1m, con un color violeta y contenido mineralógico de piroxenos en un 35 %, 35 % de plagioclasa y 30 % de líticos. En el caso de los lapillis, Vargas (2001) los ubica aflorando en la quebrada Varela con un espesor de al menos 60 cm, con alto contenido de escorias retrabajadas, centimétricas y con una gradación normal. Estratigráficamente la unidad es sobreyacida por aluviones, coluvios y cenizas recientes.

Unidad de vulcanitas del río Durazno:

Definidas como lavas de color gris claro que afloran en los ríos Virilla y Durazno, con un espesor máximo de 10 m y un contenido mineralógico alto de plagioclasa con textura porfirítica. La clasificación microscópica realizada por Vargas (2001), asigna las rocas de la unidad como andesitas porfiríticas, vesiculares con una abundancia relativa de plagioclasa del 33%, 6% de augita, 1% de olivino, 3% de hipersteno y un 4 % de vesículas, con un contenido alto de mesostasa que permite diferenciar las lavas de esta unidad respecto de las lavas del río Virilla. Debido a la similitud mineralógica y textural, Vargas (1994) relaciona estas lavas con las lavas del Grupo Irazú con edad Pleistoceno Superior (Krushensky, 1972). En el caso de las lavas del río Virilla, el autor les asigna una edad Plioceno, correlacionándolas con lavas del Grupo Aguacate.

Unidad de Lahares:

Afloran desde los 1500 y hasta los 1850 m.s.n.m en las localidades de Las Nubes,

Cascajal, San Pedro y San Rafael de Coronado. Presentan una selección caótica compuesta

por clastos silicificados, angulosos y cristales libres en una matriz arcillosa color amarillo a

marrón. El espesor máximo es de 5m y debido a que la unidad aflora en los márgenes de los

ríos Virilla y Durazno, se presentan colapsos represamientos de agua en época lluviosa.

Estratigráficamente, Vargas (2001) ubica los lahares sobreyaciendo las unidades de lavas y

con intercalaciones de ceniza de espesor centimétrico. Litologías similares a lo largo del Valle

Central fueron asignadas con edades Pleistoceno al Reciente (Echandi, 1981; Denyer & Arias,

1991).

Unidad de Aluviones y Coluvios

Constituida por bloques redondeados a semiredondeados de lavas escoriáceas de

color rojo a gris oscuro, lavas silicificadas porfiríticas andesíticas con textura fluidal. El

7

espesor máximo reportado por Vargas (2001) ronda los 10 m, con granulometrías variables

(centimétricos a métricos) y una predominancia de pátinas de óxido de hierro, ocasionadas

por meteorización química. Esta unidad sobreyace la unidad de lahares y lavas, con una edad

relativamente reciente. Vargas (2001) diferencia los coluvios de los aluviones en base al

contenido de bloques de lava englobados por una matriz arcillosa, ocasionados por colapso

gravitacional de taludes y depositados a piedemonte de las laderas.

Unidad de Tobas y cenizas Recientes:

Vargas (2001) considera a esta unidad como la más juvenil; aflorando en los

márgenes de carreteras en las localidades de Patio de Agua, los Alpes, Las Nubes, San Rafael

y en el río Durazno con espesores de centimétricos a decimétricos. El color de las cenizas

sanas es gris azulado, sin embargo meteorizadas presentan un color rojizo, posiblemente por

la alteración de sílice amorfo que constituye el vidrio. Las tobas afloran en márgenes del río

Virilla en la localidad de San Rafael y en el río Durazno en las cercanías de San Francisco. Se

hallan constituidas por cristales libres, fragmentos líticos y vidrio volcánico en tamaños

variables de 0,4 hasta 0,1 mm. Se asigna una procedencia al foco eruptivo del volcán Irazú,

en sus periodos de emisiones de piroclastos. Vargas (2001) identifica al menos cuatro

emisiones intercaladas con lahares, evidentes por la diferenciación granulométrica.

Otros autores identifican y clasifican una unidad de lavas y una unidad de Lahares y

Cenizas aflorando en la localidad de Las Nubes de Coronado. En el caso de las lavas, Arias

(1997) las correlaciona con la Formación Andesitas de Poás definida por Kussmaul&

Sprechmann (1984), las cuales consisten de coladas de composición andesítica a andesítico-

basáltica con fenocristales de tamaño grueso (> 5 mm) de augita y plagioclasa, de color

negro, con fracturación considerable y silicificadas (Krushensky, 1972). Denyer & Arias (1991)

asignan una edad Pleistocénica.

Arias (1997) correlaciona la unidad de lahares y cenizas con la unidad de lahares

definida formalmente por Krushensky (1972), los cuales se hallan constituidos por depósitos

de materiales de origen fluvial interestratificados con capas de cenizas recientes. Denyer &

Arias (1991) infieren un espesor de al menos 60 m para los lahares, con fragmentos

subangulares andesíticos de tamaños cercanos al metro de diámetro a decimétricos,

inmersos en una matriz arcillosa no consolidada. En el caso de las cenizas estos autores les

asignan un espesor de 20 m y sobreyaciendo los lahares.

III. Geología Local Unidad Río Macho

Esta unidad se define en el presente trabajo por los autores. Se encuentra un afloramiento de aproximadamente 10mx2m en el corte del río Macho cercano a la zona de la práctica de aforo. Macroscópicamente la roca es blanca en un estado moderado de meteorización, la textura es fanerítica granular de grano grueso con cristales de biotita (10%), hornblenda (10%), plagioclasa (40%) y cuarzo (40%). Se define la roca como un

8

granitoide a partir de lo observado macroscópicamente, dado que no es posible realizar petrografía a una sección delgada debido al alto contenido de humedad de la muestra extraída y el grado de meteorización del afloramiento.

IV. Información Climática del área de estudio La zona de estudio se localiza en el sector norte del Valle Central, específicamente en

las faldas del volcán Irazú, donde predomina el clima tropical de montaña típico de las zonas

altas del sistema montañoso de la Cordillera Volcánica Central. Posee una influencia de los

vientos alisios provenientes de la zona climática del Caribe costarricense, con un régimen

lluvioso que predomina la mayor parte del año, solamente hay una disminución de la

precipitación en los meses de febrero, marzo y abril. Los vientos poseen componente este

que inciden directamente en las zonas altas, como es el caso del área de estudio. La

precipitación se debe tanto a la dinámica atmosférica como al componente topográfico, ya

que al chocar con zonas elevadas provocan aumentos en la humedad disponible y mayores

índices de precipitación, que otras zonas más bajas del valle Central, siendo los meses de

agosto, setiembre y octubre los meses de mayor precipitación (IMN, 2008).

El Instituto Meteorológico Nacional (I.M.N) posee una estación meteorológica en

Rancho Redondo, Goicoechea, localizada en las coordenadas geográficas con latitud de 09 °

58 ' N y longitud de 83 ° 58 'W, a una altitud de 1780 m.s.n.m. El periodo de registro de la

estación abarca el periodo desde Enero de 1948 hasta Diciembre de 2011, siendo reportados

los valores promedio mes a mes. La figura 2 muestra los datos recopilados para la

precipitación mensual en la zona, temperatura máxima, mínima y promedio.

Tabla 1. Datos de precipitación, temperatura máxima, mínima y promedio para la estación del

I.M.N ubicada en Rancho Redondo.

Los bosques de la zona se consideran del tipo bosque muy húmedo montano bajo y

bosque pluvial montano bajo, donde predominan precipitaciones anuales mayores a 2000

mm, por esta razón son conocidos como “bosques de neblina”. Predominan especies como

el jaúl, Quercus y Lloró, con alturas de hasta 40 m (Bolaños et al., 2005).

9

Los índices de iluminación solar en cantidad de horas diarias, son los presentados por

Schosinsky (2006), donde se considera la latitud de Costa Rica y se asumen constantes para

todo el país. Los mismos se detallan en la tabla 2 (ver capítulo VI).

V. Delimitación de la microcuenca del área de estudio La microcuenca del río Macho (Fig. 3) se encuentra ubicada en el noreste del San Isidro

de Coronado, posee un área de 7,6 km2. Sus afluentes principalmente son las aguas

superficiales provenientes de la ladera oeste del Volcán Irazú (3432 m.s.n.m),

geomorfológicamente se describe como un rio de tercer orden, un afluente de la subcuenca

del río Virilla la cual drena gran parte de las aguas superficiales de la Gran Área

Metropolitana (GAM), el cual a su vez es parte de la cuenca del río Grande de Tárcoles que

desemboca en la vertiente del Pacífico.

Fig.2. Delimitación de la microcuenca del Río Macho

En la mayoría del área de la subcuenca, el uso del suelo principalmente se atribuye

al aprovechamiento de fincas ganaderas para la producción de leche, además en la parte

superior de la microcuenca se ubican bosques de tipo pluvial y húmedo montano, como

predomina a lo largo de la Cordillera Volcánica Central.

10

Con respecto a las pendientes del terreno se mantiene uniformes en la mayoría del

área de la subcuenca, principalmente en la parte baja, en la cual fueron realizadas los

ensayos estas pendientes varían entre 4°-5°, en la parte superior como ya fue

mencionando dado la cercanía con la Cordillera Volcánica Central estas pendientes varían

18°-20°.

VI. Cálculo del balance hídrico Para el cálculo del balance hídrico, se emplean los valores de horas de sol mensual

brindadas por Schosinsky (2006), para una latitud de 10°. Los valores de precipitación y

temperatura son los brindados por la estación del I.M.N ubicada en Rancho Redondo, San

José (ver capítulo III)

Además, los valores de Punto de marchitez (PM) y Capacidad de campo (CC) fueron

obtenidos en laboratorio del CIA (Ver anexo 1), arrojando valores de:

CC: 204 mm

PM: 176 mm

El valor del componente Kv referente a la cobertura vegetal es obtenido de

Schosinsky (2006), donde se determina que para terrenos de cobertura con pastizal ese

componente posee un valor de 0.18. Del mismo modo, se sugiere un valor de 0.10 para el

componente Kp, puesto que se estima que el área posee pendientes promedio de entre

2% y 7%. Una vez determinados los parámetros base para el balance hídrico, se calcula la

recarga potencial al acuífero. La tabla 1 muestra los valores obtenidos.

DATOS ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC TOTAL

P (mm) 17.3 24.0 42.7 112.5 328.2 333.8 207.5 255.4 422.0 439.6 187.8 53.9 2424.7

T (°C) 17.60 18.00 18.60 19.70 20.50 20.30 19.80 20.00 20.30 20.10 18.90 18.10

Ps (%) 8.13 7.47 8.45 8.37 8.81 8.60 8.86 8.71 8.25 8.34 7.91 8.10

ETP 131.67 122.36 140.74 143.65 154.44 149.97 152.46 150.68 143.86 144.67 132.84 133.05

RET 5.00 5.00 5.12 13.50 39.38 40.06 24.90 30.65 50.64 52.75 22.54 6.47 Pi (mm) 12.30 19.00 37.58 99.00 288.82 293.74 182.60 224.75 371.36 386.85 165.26 47.43 ESC (mm) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Hsi 184.91 176.00 176.00 176.00 203.18 204.00 204.00 204.00 204.00 204.00 204.00 204.00

C1 0.76 0.68 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

ETR1 99.73 83.03 140.74 143.65 154.44 149.97 152.46 150.68 143.86 144.67 132.84 133.05

C2 0.00 0.00 0.00 0.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.00

HD 21.21 19.00 37.58 99.00 315.99 321.74 210.60 252.75 399.36 414.85 193.26 75.43

ETR 21.21 19.00 37.58 71.82 154.44 149.97 152.46 150.68 143.86 144.67 132.84 66.53

Hsf 176.00 176.00 176.00 203.18 204.00 204.00 204.00 204.00 204.00 204.00 204.00 184.91

Rp (mm) 0.00 0.00 0.00 0.00 133.55 143.78 30.14 74.07 227.50 242.18 32.42 0.00 883.6

Tabla 2. Balance hídrico del suelo y cálculo de la recarga potencial anual.

11

Además, la tabla 3 muestra los valores de los coeficientes empleados.

Variables

Coeficiente Valor

fc (mm/día) 3360.4

Kv 0.18

Kp 0.10

Kfc 1.00

Cfo 0.12

CC (mm) 204

PM (mm) 176

Ci 1.00

Prof. de raíces (mm) 400

Tabla 3. Coeficientes de Cobertura por vegetación (Kv), pendiente (Kp), capacidad de infiltración

(fc), humedad a fin de mes (Ci), capacidad de campo (CC), punto de marchitez (PM), infiltración

por textura de suelo (Kfc), retención por follaje (Cfo).

Los valores mensuales de precipitación en el área de estudio, así como la que se

infiltra y la evapotranspiración potencial, se grafican para observar el comportamiento de

dichos factores a lo largo de un año (Fig. 3).

Fig. 3: Gráfico de evapotranspiración potencial (ETP), precipitación infiltrada (Pi) y precipitación

total (P).

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

450.0

500.0

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC

(mm

)

Meses

Balance Hídrico del Suelo

P ETP Pi

12

VII. Descripción del procedimiento aplicado en campo Aforo:

1. Se arma con mucho cuidado el molinete.

2. Se elige una sección del río donde el agua fluya libre y constantemente (sin zonas

donde el agua no circule), donde no haya rápidos ni piedras que afecten o dividan

el flujo de agua.

3. Se mide la longitud del río desde donde comienza el espejo de agua hasta donde

termina, de manera perpendicular al río, y se coloca una cuerda. Se divide esta

distancia en tramos de igual longitud, se marca el centro de cada tramo con cinta

de tipo “masking tape” y se mide la distancia de cada tramo a un punto de

referencia en un tramo del río.

4. Se coloca el molinete en el centro del primer tramo, y se mide la profundidad de

este desde el lecho del río hasta el espejo de agua. Se obtienen las profundidades

al 20% y al 80%, que son las alturas donde se realizan las medidas con el molinete,

y luego se promedia una velocidad para dicho tramo. Se repite este procedimiento

para todos los tramos en que se dividió la longitud total del río.

5. Las velocidades se obtienen escuchando por medio de los amplificadores de

sonido o contando el número de revoluciones en un determinado tiempo, luego se

busca el equivalente de la velocidad en metros por segundo en la tabla

correspondiente al molinete utilizado.

6. Para obtener el caudal en dicha sección del río se determina el área de cada tramo,

así como la velocidad obtenida por el molinete en dicho tramo, y se multiplican

ambos datos, luego se suman todos los caudales de los diferentes tramos para

obtener el caudal total en la sección del río en que se trabajó.

7. Para realizar el aforo con el flotador se mide el tiempo en que tarda en desplazarse

el flotador sobre el agua en una distancia previamente conocida.

Método del flotador:

1. Seleccionar una sección del río con un flujo laminar, con una distancia conocida;

en este caso se selecciona una distancia de 10 metros.

2. Utilizar un objeto o flotador, preferiblemente esférico.

3. Preparar un cronómetro, el cual debe iniciarse al momento en que el flotador

atraviese el primer punto de la distancia seleccionada.

4. Detener el cronómetro una vez el flotador atraviese el punto final de la distancia

seleccionada.

5. Determinar la velocidad del cauce en m/s, utilizando la ecuación (1): 𝑉 =𝑑

𝑡,

6. Donde d es la distancia de 10 metros seleccionada del cauce y t es el tiempo que

tarda el flotador en atravesar desde el punto inicial hasta el punto final. Calcular el

13

caudal multiplicando la velocidad obtenida por el área transversal de la sección del

río.

Infiltración con el método de Doble Anillo:

1. Se limpia la zona donde se va a realizar la prueba, y se elimina los primeros cm de

tierra que contengan vegetación.

2. Se introducen 2 anillos metálicos a aproximadamente uno 9 cm de profundidad.

3. Se llena con agua el anillo externo, para que así se sature la zona alrededor del

anillo interno y el agua que se infiltre en este fluya los más verticalmente posible.

4. Luego se coloca una regla de forma vertical en el anillo interno y se fija con una

prensa de ropa, así se podrá registrar como desciende el agua en un determinado

tiempo.

5. El nivel de agua en el anillo externo e interno deben ser iguales. Esta prueba tiene

una duración de 2 horas.

6. Se grafican los datos obtenidos, y se determina la capacidad de infiltración a partir

del método de Horton y Kostiakov.

Infiltración con el método de Porchet:

1. Se realiza un agujero en el suelo lo suficientemente profundo (mayor a 40 cm), y

con un diámetro menor a la mitad de la profundidad (se utilizó 15 cm en esta

prueba).

2. Se coloca una guía horizontal sobre el agujero, la cual será el punto de referencia

para hacer las mediciones.

3. Se llena el agujero con agua hasta la guía horizontal, y se mide con una cinta

métrica el nivel del agua con respecto a la guía horizontal en los tiempos

indicados. La prueba tiene una duración de 1 hora.

4. Se grafican los datos y se obtiene la capacidad de infiltración a partir de la

ecuación (2).

(2) 𝑓 =𝑅

2(𝑡2 − 𝑡1)ln

2ℎ1 + 𝑅

2ℎ2 + 𝑅

f = capacidad de infiltración.

R = radio del agujero.

h = altura del agua para un tiempo (x).

t = tiempo (x).

14

VIII. Resultados obtenidos en los métodos de infiltración

Método del Doble Anillo

Una vez realizada la prueba del doble anillo según el procedimiento descrito, la tabla

3 muestra los datos obtenidos para el ensayo con duración de 2 horas.

Tiempo (min) Altura (cm)

∆ Lectura (cm) Acumulado (cm) Lectura Ajuste

- 19,5 - - -

1 21 - 2,5 2,5

2 22,3 - 1,3 3,8

3 23,4 - 0,9 4,7

4 24,5 19,5 0,9 5,6

5 20,4 - 0,9 6,5

6 21,5 - 0,9 7,4

8 23,4 - 0,9 8,3

10 25,2 18,5 0,8 9,1

12 19,9 - 1,4 10,5

15 22,6 - 2,7 13,2

20 19,6 18,4 1,2 14,4

25 23,6 - 4 18,4

30 21 19,2 0,8 19,2

35 24,5 19,6 5,3 24,5

40 22,1 19,6 2,5 27

50 23 19,4 3,4 30,4

60 23,1 19,3 3,7 34,1

75 19,7 19,6 0,1 34,2

90 21,2 19,8 1,4 35,6

105 23 19,7 3 38,6

120 24,1 19,4 1,1 39,7

Tabla 4. Datos obtenidos durante el ensayo de Doble Anillo

Una vez calculada la infiltración acumulada, que resulta de la suma de las

infiltraciones individuales, se calcula la curva de infiltración de campo y la infiltración de

Kostiakov, según lo muestra la figura 4, de la cual se determina un ajuste cercano, según los

datos de campo.

15

Fig. 4: Gráfico de las infiltraciones de campo y la ideal o de Kostiakov

En el caso de esta prueba, se calcula el logaritmo del tiempo en minutos y el

logaritmo de la infiltración acumulada, expresada en cm/minuto, con lo cual se obtiene las

constantes a y b que aplican a la ecuación:

I= a*tb, donde a es el antilogaritmo del intercepto obtenido de la figura 5 y b es la

pendiente de la recta de mejor ajuste. El valor de a es de -0,4109 y el valor de b es 0,6122.

Fig.5: Gráfico para datos de Doble Anillo y obtención de coeficiente de infiltración.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Ve

loci

dad

de

infi

ltra

ció

n

[cm

/min

]

Tiempo [min]

Infiltración de campo respecto del tiempo, Método de Doble Anillo

Infiltración decampo

Infiltración deKostiakov

y = 0.6122x + 0.3882

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Log

(I a

cum

ula

da)

Log (t)

Infiltración acumulada respecto del tiempo

16

Los valores son utilizados para calcular la infiltración, por medio de la ecuación:

dI/dt = a*b*tb-1

Aplicando esta ecuación con los valores de a y b obtenidos:

dI/dt= 0,6122*10 0,3882*1200,6122-1

fc= 0,2334 cm/min

fc= 3360,4 mm/ día

Con lo cual el coeficiente de infiltración necesario para el cálculo del balance hídrico

respectivo para la zona de estudio es de 3360,4 mm/día.

Método de Porchet

De acuerdo al procedimiento detallado para este método, se obtienen los datos que resume

la tabla 4, para la cual se determinara un valor de velocidad de infiltración determinado.

T (min)

Profundidad (cm) H (nivel agua-cm)

ensayo # 1 ensayo #2 ensayo #1 ensayo #2

0 97 99 0 0

0,5 83 93 14 6

1 70,5 87,5 12,5 6

2 54,5 75 6 8

4 39 57 15,5 18

T (min)

Profundidad (cm) H (nivel agua-cm) T (min)

ensayo # 1 ensayo #2 ensayo #1 ensayo #2

6 30,5 46 8,5 11

8 25 39 5,5 7

10 21,5 33,5 3,5 5,5

15 15,5 25 5,5 8,5

20 10 19 3,5 6

25 - - 6 -

30 - 11 - 8

40 - 5 6 6

Tabla 5. Datos obtenidos durante el ensayo de Porchet.

Con los datos expuestos en la Tabla 5 y la formula vinculada a este método (fórmula 2) se

obtiene el valor de velocidad de infiltración: 2884,3 mm/dia.

17

IX. Descripción de los suelos del área de estudio y capacidad de infiltración

Se realizan ensayos en el laboratorio de geomecánica con una muestra del suelo

del área de estudio para determinar algunas de sus propiedades.

Gravedad especifica:

La gravedad específica corresponde al peso unitario del material dividido por el peso

unitario del agua destilada a 4º C. Conociendo el volumen de un peso conocido de sólidos y

dividiéndolo por el peso de un mismo volumen de agua se obtiene la gravedad especifica de

los sólidos del suelo GS (Bowles, 1981).

En el laboratorio de geomecánica se obtuvieron los datos que muestra la tabla 6, y

para determinar la gravedad específica de los sólidos GS se utilizó la ecuación (3).

Parámetros Datos

Peso del suelo seco, Wd (g) 52,42

Temperatura del agua en el ensayo, T (º C) 24º

Peso Picnómetro + agua, Wpw (g) 342,34

Peso Picnómetro + agua + muestra, Wpwm (g) 375,67

Densidad del agua a temperatura del ensayo, ρw (g/cm3) 0,99733

Peso del agua desplazada, Wwdespl (g) 33,33

Factor de corrección, 𝛼 =𝜌𝑤

𝜌𝑤20º 0,99909

Gravedad específica, GS 2,74

Tabla 6. Parámetros obtenidos en el laboratorio de geomecánica para la determinación de la gravedad

específica.

Ecuación (3): 𝐺(𝑠) = 𝑊𝑑×𝛼

𝑊𝑝𝑤+𝑊𝑑−𝑊𝑝𝑤𝑚

𝐺(𝑠) = 52,42 𝑔 × 0,99909

342,34 𝑔 + 52,42 𝑔 − 375,67 𝑔= 𝐺(𝑠) = 2,74

Donde: Wd(g) Peso del suelo seco.

Wpw(g) Peso del picnómetro más agua.

α Factor de corrección.

Wpwm (g) Peso del picnómetro más agua y más la muestra de suelo.

18

Análisis granulométrico:

El análisis granulométrico se realiza para determinar en porcentajes, el tamaño de los

granos que conforman el suelo a trabajar. En la tabla 7 y la figura 6 se puede analizar los

resultados obtenidos en el laboratorio para la muestra de suelo a trabajar.

Peso inicial de la muestra de suelo: 285,63 g.

Número de

tamiz

Abertura

del tamiz

(mm)

Peso del suelo

retenido (g) % retenido

Peso del

suelo que

pasa el tamiz

(g)

% Pasa

4 4,76 0,78 0,27 284,85 99,73

10 2 4,11 1.44 280,74 98,29

20 0,85 9,31 3,26 271,43 95,09

40 0,425 12,40 4,34 259,03 90,69

60 0,25 36,13 12,65 222,9 78,04

100 0,15 60,60 21,22 162,3 56,82

200 0,075 57,82 20,24 104,48 36,58

Tabla 7. Datos obtenidos en el laboratorio en el ensayo de análisis granulométrico.

Fig. 6. Curva granulométrica del suelo en la zona de estudio.

El análisis granulométrico indica que este suelo está compuesto por 36,58% de granos

finos, 62,64% de arenas, y 0,78% de gravas. Debido al considerable porcentaje de finos, no

se puede determinar el coeficiente de uniformidad ni el coeficiente de concavidad para la

muestra de suelo.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.010.1110

PO

RC

ENTA

JE Q

UE

PA

SA %

DIAMETRO DE LAS PARTICULAS EN MILIMETROS.

Curva Granulométrica.

19

Límites de Atterberg:

Los límites de Atterberg se utilizan para describir cómo se comporta el suelo con un

contenido de humedad determinado (Bowles, 1981). En el presente trabajo se analizan dos

de los cinco límites de Atterberg, el límite líquido y el límite plástico, que se utilizan

principalmente con el objetivo de identificar y clasificar del suelo.

Para determinar el límite líquido se grafican los datos de contenido de humedad

contra la cantidad de golpes en la máquina de Casagrande (tabla 8), ambos datos obtenidos

a partir de la figura 7.

Determinación del límite líquido 1 2 3 4 5

Peso del recipiente (g) 16,96 16,99 16,61 17,13 16,98

Peso del suelo húmedo + recipiente (g) 56,81 57,09 54,28 56,90 56,95

Peso del suelo seco + recipiente (g) 43,26 43,43 41,32 43,21 43,06

Peso del suelo seco (g) 26,3 26,44 24,71 26,08 26,08

Peso del agua (g) 13,55 13,66 12,96 13,69 13,89

Contenido de humedad (%) 51,52 51,66 52,44 52,49 53,25

Número de golpes 38 33 26 23 19

Tabla 8. Datos del ensayo de límite líquido.

Fig. 7 Grafica de Contenido de humedad contra golpes en la Máquina de Casagrande.

y = -2.486ln(x) + 60.461

51

51.5

52

52.5

53

53.5

1 10 100

Co

nte

nid

o d

e h

um

edad

%.

Cantidad de golpes hechos.

Contenido de Humedad contra Golpes en la máquina de Casagrande.

20

El límite líquido corresponde al contenido de humedad a los 25 golpes en la Máquina

de Casagrande. Por lo tanto, con la ecuación obtenida de la gráfica (ecuación 4):

(4) 𝑦 = −2,486 ln(𝑥) + 60,461

En el caso donde a la variable x se le asigna un valor de 25 en la ecuación (4), se

obtiene un límite líquido (LL) de LL= 52,46.

El límite plástico se obtiene con la media aritmética de los valores de contenido de

humedad obtenidos al formar barriles de 3 mm de grosor, una vez que estos inicien a

fragmentarse y se inicie el proceso de secado por 24 horas en un horno a 110 °C.

Determinación del límite plástico 1 2 3

Peso del recipiente (g) 4,25 4,27 4,07

Peso del suelo húmedo + recipiente (g) 7,12 6,95 7,12

Peso del suelo seco + recipiente (g) 6,34 6,22 6,28

Peso del suelo seco (g) 2,09 1,95 2,21

Peso del agua (g) 0,78 0,73 0,84

Contenido de humedad (%) 37,32 37,43 38

Tabla. 9 Datos obtenidos del ensayo del límite plástico.

Promediando los datos de los contenidos de humedad se obtiene que el límite plástico

corresponde con la ecuación (5):

(5) 𝐿𝑝 =37,32+37,43+38

3= 𝐿𝑝 = 37,58.

Con los valores del límite líquido y límite plástico se obtiene el índice de plasticidad IP,

que corresponde a un rango donde el suelo tiene un comportamiento plástico (Bowles,

1981). El índice de plasticidad se obtiene restando el límite plástico al límite líquido

(ecuación 6).

(6) 𝐼𝑝 = 𝐿𝑙 − 𝐿𝑝

𝐼𝑝 = 52,46 − 37,58 𝐼𝑝 = 14,88

Con los datos obtenidos y descritos anteriormente el suelo será clasificado de acuerdo

al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. La fracción de granos finos del suelo se

clasifica según la carta de Casagrande (Figura 8), donde se obtiene que estos granos finos

corresponden a un limo de plasticidad alta.

21

Fig. 8. Carta de Casagrande para la clasificación de granos finos. Tomado de Bowles

(1981).

Fig. 9. Diagrama de flujo para la clasificación de suelos de partículas gruesas. Tomado de

Bowles (1981).

El suelo como conjunto se clasifica según el diagrama de flujo para la clasificación

de suelos de partículas gruesas (Figura 9). El suelo se considera de grano grueso debido a

que en el ensayo de granulometría se obtuvo que más del 50% de las partículas

corresponden con granos gruesos. Se analiza la sección de arena, ya que el porcentaje de

este tamaño de granos es mayor que las gravas

Se concluye respecto al análisis geomecánico básico del suelo, que en la zona de

estudio el suelo corresponde a una Arena Limosa (SM) de plasticidad alta, con una gravedad

especifica de los sólidos GS de 2,74.

22

X. Determinación del caudal

Aforo con molinete.

El aforo realizado en el cauce del río Macho, permitió recopilar datos sobre la

morfología de una sección transversal, donde la profundidad máxima alcanza los 84 cm. La

figura 8brinda un modelado de la sección transversal aforada.

Fig10. Diseño de la sección transversal aforada en el río Macho en Vásquez de Coronado

En base a este diseño, se obtuvo un área transversal de 2,1 m2 usando secciones

rectangulares con un ancho de 0,5 m. La tabla 10 muestra además del área de cada

sección, los datos de velocidad y caudal para cada tramo de 0,5 m.

Sección Ancho (m)

Dist. Orilla (m)

Prof. Pto. Medio (m)

Prof. 20% (m)

Prof 80% (m)

Rev/min 20% (m)

Rev/min 80% (m)

Vel. 20% (m/s)

Vel. 80% (m/s)

Veloc.

Prom

(m/s)

Área

(m2)

q

l/s

1 0,5 0,5 0,3 0,15* 0* 0 0 0 0,15 0 2 0,5 1 0,82 0,164 0,656 6 2 0,075 0,037 0,056 0,41 23 3 0,5 1,5 0,81 0,162 0,648 8 3 0,099 0,046 0,072 0,405 29 4 0,5 2 0,8 0,16 0,64 9 5 0,111 0,067 0,089 0,4 36 5 0,5 2,5 0,6 0,12 0,48 7 3 0,087 0,046 0,066 0,3 20 6 0,5 3 0,33 0,066 0,264 6 3 0,075 0,046 0,061 0,165 11 7 0,5 3,5 0,24 0,12* 5* 0,067 0,067 0,12 8 8 0,5 4 0,2 0,1* 0* 0 0 0 0,1 0 9 0,5 4,3 0,1 0,05* 0* 0 0 0 0,05 0

*Lectura al 50% Área total 2,1

Caudal total 127 L/s Tabla 10. Datos de profundidad, área, caudal y velocidad para el aforo realizado con el molinete de taza

cónica.

23

Método de flotador Para la determinación del caudal de una sección transversal del río, se utiliza este

método con un flotador de baja densidad (en este caso una pelota de espuma),

obteniendo un caudal medio de 175 L, tales resultados los resume la tabla 5.

Método del Flotador

Distancia D (m)

10

Área transversal

A (m2) 2,1

Tiempo t (s) 120

Velocidad V (m/s)

0,083

Caudal Q (L/s)

175

Tabla 5. Obtención de datos de flotador.

XI. Ventajas y limitaciones de los métodos utilizados en aforos y pruebas de infiltración Aforos

Aforo con flotador Aforo con molinete Ventajas -Brinda una aproximación de la

velocidad del flujo de agua de un cauce. -Es un método sencillo y de bajo costo -La determinación de la velocidad del flujo es rápida.

-Brinda una velocidad más precisa del flujo de agua a través de un área transversal. -Permite identificar las zonas de mayor flujo a lo largo de toda la sección transversal, por lo que se puede ponderar una velocidad para cualquier sección transversal que se considere. -Las medidas realizadas se realizan con equipo especializado, por lo que la medición no es subjetiva, como sucede con el método del flotador. -Para la gran mayoría de secciones considera medidas para el sector superior e inferior, con lo cual se puede obtener medidas de caudal más precisas.

Limitaciones -La obtención de la velocidad de flujo del río no es precisa. -La medición de velocidad se puede ver sesgada por las características del flotador (densidad, porosidad, etc.) -La determinación debe realizarse en una sección con flujo laminar y en línea recta, una perturbación mínima

- La medición tanto al 20% como al 80%, se determina visualmente al colocar el molinete, por lo que la medida de velocidad puede estar sesgada. -Las irregularidades en bloques y sedimentos al fondo del cauce pueden impedir tomar una medida más precisa de velocidad.

24

de la trayectoria rectilínea influye directamente en el tiempo medido. -Considera solamente una sección del cauce y discrimina velocidades en otras secciones del área transversal. -Considera la velocidad del flujo sólo de la parte superior del cauce.

-La medición de velocidades a profundidades mayores a 1 m, puede no ser determinada. -La medición de caudales en ríos turbulentos, puede ser complicada o del todo inaccesible.

Pruebas de Infiltración

Método del doble anillo Método de Porchet Ventajas -Permite determinar la infiltración de

manera más precisa en una columna de agua, con una dispersión lateral mínima respecto al método Porchet. -Es un método accesible de determinar la tasa de infiltración del suelo. -La infiltración con esta prueba abarca un área mayor respecto al método de Porchet, por lo que la obtención de la infiltración es más precisa.

-Es un método sencillo y más rápido de determinar la tasa de infiltración del suelo que el método de doble anillo. -El método requiere de menos operarios respecto al método de doble anillo. -Es un método accesible y de muy bajo costo para determinar la tasa de infiltración. -Se puede realizar en terrenos de pendientes mayores respecto a la prueba del doble anillo. -No es necesario remover la cobertura vegetal circundante.

Limitaciones -La duración de la prueba es mayor respecto al método de Porchet o con el permeámetro Guelph. -Si no se nivelan las cargas hidráulicas a ambos lados del anillo interior, la medida de la tasa de infiltración puede sesgarse. -Las lecturas debe realizarlas un mismo operador, debido a que la percepción del menisco de agua varía de una persona a otra. -Dependiendo de las características del suelo puede llegar a necesitarse volúmenes de agua considerables, por lo que este factor requiere de mayor número de operarios para la prueba de infiltración. -Requiere que los anillos se inserten lo más vertical posible y a su vez debe aplicarse en un terreno de baja pendiente. -Se debe remover varios centímetros de cobertura de vegetación y suelo para realizar la prueba.

-Dependiendo de las características del suelo puede llegar a necesitarse volúmenes de agua considerables, por lo que este factor requiere de mayor número de operarios para la prueba de infiltración. -Si la profundidad de la perforación es mayor a 70 cm, la lectura de la tasa de infiltración puede ser difícil de determinar o estar sesgada. -El método permite que el agua no solo se infiltre verticalmente sino que también se infiltre horizontalmente. -Requiere que el instrumento de medición sea una cinta métrica y que este a su vez no roce las paredes de la perforación. -El área para determinar la tasa de infiltración es menor respecto al método de Porchet.

25

XII. Conclusiones -La geología se constituye en su mayoría por litologías ígneas datadas del Cuaternario-Neógeno,

tales como coladas de lava, piroclastos, flujos piroclásticos, producto del vulcanismo del arco

magmático actual a lo largo del Plioceno, Pleistoceno al Reciente.

-El clima de la zona en estudio se cataloga como tropical de montaña, con bosques montano

bajo y pluvial montano bajo, donde la precipitación anual en la zona es 2502 mm y una

temperatura media anual de 16.4 °C, según datos del Instituto Meteorológico Nacional.

-La cuenca del río Macho posee un área de 7,6 km 2, un perímetro de 15323 m, 8 afluentes y un

orden de 3.

-La capacidad de campo del suelo es de 204 mm y el punto de marchitez del suelo es de 176

mm.

-En el área de estudio predominan los pastizales y pendientes menores al 7%, por lo que el

valor del coeficiente Kp es de 0.10 mientras que el Kv es de 0.18. El kfc es de 1 y una

profundidad de raíces de 400 mm.

-La recarga anual al acuífero es de 883,6 mm debido a los índices de precipitación, facilitada por

la interacción atmosférica con las zonas altas del sistema montañoso de la Cordillera Volcánica

Central durante el periodo que comprende los meses desde mayo hasta noviembre.

-El límite de plasticidad del suelo es de 37.58, el límite líquido es de 52.46, el porcentaje de

finos 36.58% mientras que el porcentaje de partículas gruesas es de 63.42% y una gravedad

específica de sólidos de 2. 57 con lo cual se clasifica el suelo como una arena limosa (SM) de

plasticidad alta.

-La porosidad del suelo es de 60%, permitiendo índices de infiltración altos.

-Tanto el método de Porchet como el método del doble anillo, son dos métodos sencillos ce

determinar la tasa de infiltración del suelo, sin embargo por costo, duración y número de

operarios el método de Porchet resulta más conveniente.

-El método del doble anillo brinda una tasa de infiltración más certera ya que abarca un área

mayor respecto al método de Porchet, ya que este método considera una infiltración lateral.

-La tasa de infiltración del suelo es de 3360,4 mm/día con el método de doble anillo. Este

procedimiento presenta limitaciones cuando el suelo es arcilloso.

-El aforo con el molinete resulta más preciso que realizarlo con el método del flotador, ya que

considera y pondera la velocidad a través de una sección transversal y no solo en un sector del

flujo, con lo cual se pueden obtener medidas más certeras del caudal. Sin embargo este

procedimiento puede presentar algún margen de error por efecto del viento.

26

-El caudal a lo largo de la sección transversal del cauce es de 124 L/s, con un área transversal de

2.1 m2 con el método del molinete, mientras que con el método del flotador el caudal es de

174 L/s.

-Las diferencias entre el método del molinete y el flotador brindan una aproximación a que

método es más preciso, con lo cual debe considerarse la naturaleza del estudio que se va a

realizar en la zona y los objetivos para optar por un método u otro.

-Se obtiene un valor de recarga potencial relativamente bajo en comparación con lo que se

esperaría para sectores cerca del Valle Central, esto puede relacionarse con el bajo contenido

de humedad en el suelo debido al sistema de raíz del tipo de vegetación que predomina,

aunado al uso que se le da al terreno con la crianza de ganado que genera una posible

compactación del suelo.

27

XIII. Recomendaciones -Asegurarse de una vez iniciadas las pruebas de infiltración, tener al alcance una cantidad de

agua suficiente, ya que el suelo posee una permeabilidad alta, este fue definido en el campo

como un suelo volcánico café de textura limosa y presencia de clastos de lavas andesíticas

meteorizadas.

-En la prueba del doble anillo, verificar que el nivel de agua es igual o similar a ambos lados del

anillo interior, ya que diferencias en el nivel interno y externo puede generar un gradiente

hidráulico que influya en la tasa de infiltración del suelo.

-Retirar los primeros centímetros de la capa de vegetación y suelo para realizar la prueba del

doble anillo.

-Realizar una excavación entre 50 y 100 cm, con un diámetro de 15 cm para aplicar la prueba de

Porchet.

-Se recomiendan cartografiados geológicos locales de detalle, debido a que la disponibilidad de

investigaciones previas es limitada y en caso de existir se enfocan en sectores aledaños a la

zona de interés, por lo que una geología local debe aproximarse en base a estudios previos.

-Se prefiere el método del molinete debido a que brinda una medida más precisa del caudal a lo

largo de toda una sección transversal.

- Para la unidad definida por los autores (Unidad Río Macho) se sugiere realizar estudios

posteriores para la comprobación o refutación de la hipótesis presentada.

28

XIV. Bibliografía

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