ANÁLISIS DEL PROCESO DE INFILTRACION PARA EL REGADIO.

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS AGRARIAS
CÁTEDRA DE HIDROLOGÍA AGRÍCOLA
APUNTES DE INFILTRACIÓN
Ing. Víctor NEGRO
Marzo de 1998.

2. INFILTRACIÓN :
Se denomina infiltración al pasaje del agua al suelo, a través de la superficie del
mismo, antes de que se alcancen condiciones de saturación.
Inicialmente la infiltración depende de la Succión, que a su vez depende del
contenido de humedad del suelo, mientras que el potencial de gravedad apenas
influye. Esto explica que al comenzar el proceso de infiltración el valor de
infiltración es alto, decreciendo más tarde cuando aumenta el contenido de humedad
hasta alcanzar un valor casi constante. Por ello en suelos secos el agua se
infiltra más rápidamente que en suelos húmedos.
Al comienzo el proceso de entrada de agua en el suelo sigue condiciones de
régimen variable, ya que el contenido de humedad y por tanto la succión varían. A
medida que el proceso continúa, el gradiente de succión en la parte alta del perfil
decrece (sigue siendo máximo en el frente de humectación), hasta llegar a ser
despreciable, por lo que la gravedad es la única fuerza que permite el movimiento
de agua en la parte más superficial del perfil. Cuando el gradiente llega a ser la
unidad (potencial mátrico =0) la infiltración tiende a ser constante e igualar a la
conductividad hidráulica vertical (k), que es el factor limitante del proceso. Por
tanto, el valor de infiltración depende no solamente del contenido de humedad sino
del valor de k.
Una vez que el proceso de infiltración ha comenzado, se inicia la
redistribución de la humedad en el perfil del suelo.
Según el modelo de Bodman y Colman (1943) pueden distinguirse las siguientes
zonas en un perfil de un suelo regado o después de una precipitación intensa.:
Zona de saturación.
Zona de transición.
Zona de transmisión de humedad.
Zona de humectación.
Frente húmedo.
Suelo inicialmente seco.
La zona de saturación corresponde a unos
pocos cm superficiales. Por debajo hay una zona de
transmisión de humedad, cuyo contenido es
aproximadamente constante y por encima de capacidad
de campo. En la parte inferior de esta zona la
humedad decrece fundamentalmente en la llamada zona
de humectación. El gradiente de humedad es mayor en
el frente húmedo, que limita el suelo seco del
suelo húmedo.
Después del riego o precipitación, la capa
del suelo superficial, humedecida casi a saturación
durante la infiltración, pierde agua hacia capas
más profundas por efecto de la gravedad y del
gradiente de succión. La zona no saturada del suelo
almacena humedad hasta un contenido próximo a la
llamada capacidad de campo, percolando el
excedente. Este proceso se llama drenaje interno
del suelo, si existe capa freática próxima a la
zona radicular. En este caso el agua de percolación recarga la capa freática que se
eleva por acción de esta recarga.
El proceso de redistribución que es contínuo decrece constantemente con el
tiempo, alcanzándose a largo plazo un equilibrio.
Además en la infiltración influyen las condiciones de :
• Estructura de la superficie del suelo (laboreo).
• Estratificación del suelo.
• Aguas o suelos alcalinos o yesosos.
• Materia orgánica.
• Temperatura del agua o suelo (viscosidad, tensión superficial).
2

3. De todo lo analizado hasta aquí, se deduce la complejidad del proceso de
Infiltración ; debido a tantas variables que entran en juego.
FÓRMULAS DE LA INFILTRACIÓN :
Existen varias fórmulas que pretenden expresan matemáticamente el fenómeno de
infiltración. Entre esta una racional de Philips, que presenta el inconveniente de
ser solo aplicable en casos especiales, no siendo muy práctica. Se ha generalizado,
para salvar este inconveniente, la utilización de ecuaciones empíricas cuyos
parámetros se deducen en base a datos experimentales.
Una de ellas es la denominada fórmula de KOSTIAKOV (1932, Rusia), la cual expresa :
L = b⋅ Tm L= lámina de agua total infiltrada en el tiempo T o infiltración
acumulada.
(1) T= tiempo que permanece el agua sobre el suelo.
b y m = son constantes, las cuales tratan de interpretar dentro
ƒ
Inf =ƒ(T) de los límites de uso de la ecuación todas las variables que
afectan al proceso. La ecuación de Kostiakov ajusta los datos
experimentales bastante bien, particularmente para períodos de tiempo relativamente
cortos. Esta ecuación puede ser usada en trabajos de riego debido a su simplicidad
y por que ajusta razonablemente bien a períodos de tiempo que no excedan unas pocas
horas, que es lo que se necesita para riego.
El parámetro b nos da una idea del contenido de humedad al iniciarse el proceso, y
el parámetro m nos da idea del ritmo de la infiltración, generalmente su valor está
entre 0 y 1.
Si la ecuación (1) la derivamos con respecto al tiempo, obtendremos la
expresión correspondiente a la Velocidad de Infiltración (I) ó Infiltración
Instantánea (Ii).
I= m.b.Tm-1 [cm/min ó mm/min]
I= 60.m.b.Tm-1 [cm/hora ó mm/hora] , según con que unidad se toma la
lectura de Lámina y Tiempo.
Para simplificar podemos tomar :
B = 60.m.b
-n = m-1
teniendo :
I = B.T-n [cm ó mm/hora].
Límite de uso :
No se pueden tomar tiempos mayores a 24 horas (en riego nunca ocurre), se
invalida esta ecuación al llegar a condiciones de saturación. Esto se debe a su
carácter netamente empírico.
DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS b Y m :
La determinación de los parámetros necesariamente se basa en el análisis de los
datos de un ensayo a campo de infiltración.
Veremos a continuación que tipo de ensayo se puede realizar a campo :
Primero debemos aclarar que para cada sistema de riego (distinto), se
necesitará un tipo de ensayo, también distinto. Así para riego por surcos o
amelgas, un ensayo en una porción de surcos o melgas tipo. Para aspersión
reproducir lo mejor posible el efecto del golpeteo de las gotas sobre el suelo
(simulador de lluvia), este efecto produce como consecuencia una disminución de los
valores de infiltración en comparación con los registrados con equipos que no
3

4. simulen el efecto del golpeteo de las gotas. Por último para riego por inundación,
el que mejor representa las condiciones, es el infiltrómetro de dobles anillos.
Como se comprenderá estos distintos tipos tratan de representar, de la manera
más cercana posible a la realidad, cada uno de los distintos sistemas de riego.
Muchas veces el técnico choca en la práctica con hechos tan concretos como el
de no poder contar con una parcela nivelada y con el trazado de surcos o melgas
tipo ; menos aún con un simulador de lluvia. Por eso que se recurre muchas veces a
un infiltrómetro de doble anillos.
MÉTODO DEL INFILTRÓMETRO DE DOBLE ANILLO :
Se basa en la medición de una lámina de agua que se infiltra en un tiempo
determinado. La medición de dicha lámina se hace en uno de los anillos que posee
una escala (o midiendo volúmenes incorporados).
“Tanto en este método como en el de surcos de ensayo es necesario contar, en
el suelo, con un contenido de humedad tal que sea similar al Umbral de Riego que se
determinó previamente”.
Los anillos están estandarizados (para riego) en diámetro y alto. El externo
es de 50 cm y el interno de 30 cm. La altura de ambos es de 30 cm. Los dos deben
ser introducidos en el suelo unos 10 cm aproximadamente.
El uso del cilindro exterior
tiene la finalidad de actuar como
30 cm Buffer, o sea amortiguar el efecto
producido por el agua del cilindro
interior en contacto con el suelo seco,
30 cm obteniéndose así una infiltración cuasi
vertical.
Ambos cilindros se llenan con una
altura de agua similar a la calculada
para la dosis de riego (lámina de
riego). Manteniéndose esa carga
prácticamente constante volviendo a
rellenar cuando se produzca una
50 cm disminución de aproximadamente 20 mm
(minimizar los efectos de la variación
de la carga de agua en el valor de
infiltración).
Infiltrómetro de Doble Anillo
En la planilla tipo se anotan las láminas parciales infiltradas (lecturas) y
tiempos, como así también los valores de enrase al valor constante de lámina.
Lectura Relleno a Lámina Tiempo Ii Lam acum. Tiempo
Hora desde cero cero parcial Parcial (cm/hr) (cm) acum.
(cm) (cm) (min) (min.)
El ensayo se deberá proseguir hasta constatar constancia de la velocidad de
infiltración (esto dependerá del tipo del suelo).
ANÁLISIS DE LOS DATOS :
Si representáramos los valores obtenidos nos encontraríamos con dos curvas
distintas.
4

5. Ii
Ambas responden a una función que se asemeja bastante a una exponencial (de
allí surge la ecuación de Kostiakov).
Para obtener los parámetros b y m se procede a aplicar función logarítmica
(decimal o natural) a la ecuación : L = b⋅ Tm
tenemos : log L = log b + m ⋅ log T
Con esto hemos transformado la ecuación exponencial en la de una recta, cuya
ordenada al origen es log b (ó ln b), es decir cuando logT=0 (T=1) y cuya pendiente
es m.
Ahora bien, nosotros solamente tenemos puntos obtenidos del ensayo, por eso
debemos antes ajustar esos puntos a una recta de regresión (Mínimos Cuadrados).
En el formulario tipo se encuentran las columnas correspondientes al cálculo
de mínimos cuadrados (M.C.).
Observaciones :
Tener en cuenta que la ecuación de Kostiakov es empírica y por lo
tanto se deben respetar las unidades de cada variable L y T ya que al
variar estas se obtendrán distintos b y m, no siendo homogéneos al
compararlos con valores de otros ensayos.
Hacer varias repeticiones en lugares estratégicos del ensayo (ya que
el método de anillos dobles es netamente puntual) y luego promediar los
valores (para cada T promediar los distintos valores de L).
MÉTODO DEL SURCO (O MELGAS) DE ENSAYO :
Para representar más fielmente la infiltración lateral que se produce en un
riego por surcos (o el movimiento de la lámina de agua sobre el suelo en melgas),
se justifica este método.
Se dispone para el ensayo de 4 surcos (dos centrales para el ensayo y dos
distales para el efecto buffer).
5

6. Se hace circular por los dos surcos centrales el caudal de riego previa
instalación de aforadores a la entrada (Qe : caudal de entrada) y a la salida (Qs :
caudal de salida).
Con los datos de aforo y tiempo medido se confeccionan planillas “ad-hoc”
para cada surco de ensayo. La duración del ensayo es hasta que se constate que Qs
sea aproximadamente constante. En las misma figurará : Tiempo(min), Qe (L/min),
Qs(L/min) y Q infiltrado (Qe-Qs) (l/min).
Tiempo Qe Qs Qi Tiempo
Hora parcial (l/min) (l/min) (l/min) acum.
(min) (min)
Para iguales valores de tiempo se promedian los valores de Qi surco (1) y Qi
surco (2), obteniéndose un Qi promedio.
Tiempo Qi surco 1 Qi surco Qi Ii
parcial (l/min) 2 promedio
(min) (l/min) (l/min) (mm/hr)
Ahora debemos transformar el Qi en valor de velocidad de infiltración I. Para
ello se deberá tener en cuenta en que área se ha infiltrado ese caudal.
Área = Largo del surco de ensayo x separación entre bordos [m2]
Luego Vel. De Infiltración será :
I (mm/min)= Qi(l/min)
A(m2)
ó
I (mm/hr) = Qi(l/min) x 60 min/hora
A(m2)
Con los datos obtenidos y aplicando función logarítmica y M.C. ; podemos
reconstruir la ecuación matemática que representa la marcha de la Infiltración para
ese suelo :
I (mm/min) = b.m.Tm-1
ó
m-1
I (mm/hr) = 60.b.m.T = B . T-n
Tanto gráfica como matemáticamente, se obtienen los parámetros b y n en forma
indirecta(b.m para T=1 y la pendiente negativa de la recta que es m-1). Habrá que
proceder matemáticamente para despejar algún factor en base al otro ya conocido.
UTILIDAD PRÁCTICA DE CONOCER LA ECUACIÓN DE INFILTRACIÓN :
Podemos resumirla de la siguiente manera : a partir de un ensayo en el cual
obtenemos valores puntuales, transformamos estos en una expresión matemática
continua. Esto nos permite calcular para cualquier valor de lámina de riego, para
ese suelo, el tiempo que le correspondería en infiltrarse. Este tiempo es un
parámetro de diseño importante en las distintas técnicas de riego.
Partiendo de L= b. Tm
Ti= (L/b)1/m
Si en cambio partimos de :
Ii = B.Tm-1
60 mm/min
deberemos integrar esta ecuación para así obtener la lámina total infiltrada
( m −1)+1
1 B ⋅T
L= Idt =
(Lámina acumulada).
60 (m − 1) + 1⋅ 60
6

7. 1
m ⋅ 60 ⋅ L m
despejando T Ti = ( min)
B
Otra utilidad que podemos darle a esta ecuación es la de obtener el valor de
Velocidad final de infiltración, también llamada Infiltración básica. Se define
como Infiltración básica a aquel valor que asume la velocidad de infiltración, que
resulta en el tiempo casi constante. Se puede decir que se logra este valor cuando
en el gráfico Ii vs. T, se alcanza la pendiente (valor -n) igual a -0,1, que
corresponde a un ángulo de 174º 17´ aproximadamente.
ó sea dIi = -0,1 = Ib
dT
dIi
derivando con respecto al tiempo : = 60 ⋅ m ⋅ ( m − 1) ⋅ b ⋅ T m − 2 = − 0,1
dT
Si Tb es el tiempo en el cual se alcanza ese valor de pendiente,
1
− 0,1
Ib = B ⋅ Tbm−1
m− 2
despejamos : Tb = e
B ⋅ ( m − 1)
Este valor de Ib puede servir para calcular caudales de reposición de riego
por inundación. También sirve como valor de diseño en aspersión, haciendo que la
precipitación del aspersor sea como máximo igual al valor de Ib.
precipitación en aspersor ≤ Ib suelo
luego Tr = Lámina
Ib (tiempo de riego en aspersión).
Resumiendo podríamos decir que, una vez obtenida la expresión matemática de
la infiltración y sabiendo con que valor de lámina se quiere regar, calculamos su
correspondiente valor de Ti (tiempo de infiltración) tanto sea para surcos, amelgas
o aspersión. Después calculamos un valor promedio de velocidad de infiltración como
tercer elemento de cálculo.
Ip= Lámina
Ti
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8. Ensayo de Infiltración : Ubicación Santa Catalina
Lectura Relleno a Lámina Tiempo Ii Lam acum. Tiempo
Hora desde cero cero parcial Parcial (cm) acum.
(cm) (cm) (min) (cm/hr) (min.)
10.20´ 0 0 0 0 0
10.25´ 2,3 2,3 2,3 5´ 27,6 2,3 5
10.25´ 0
10.30´ 1,1 1,1 5´ 13,2 3,4 10
10.35´ 2,4 2,4 1,3 5´ 15,6 4,7 15
10.35´ 0
10.45´ 1,6 1,6 10´ 9,6 6,3 25
10,48´ 2,2 2,2 0,6 3´ 12 6,9 28
10.55´ 1,2 1,2 7´ 10,3 8,1 35
11.00´ 2,0 2,2 0,8 5 9,6 8,9 40
11.00´ 0
11,10´ 1,4 1,4 10´ 8,4 10,3 50
11.15´ 2,0 2,0 0,6 5´ 9,6 10,9 55
11.15´ 0
11.25´ 1,3 1,3 10´ 7,8 12,2 65´
11.30´ 2,0 2,0 0,7 5´ 8,4 12,9 70´
11.30´ 0
11.45´ 2,0 2,0 2,0 15´ 8 14,9 85´
11.45´ 0
11.55´ 1,4 1,4 10 8,4 16,3 95´
8

9. Ensayo de Infiltración : Planilla para la elaboración de los datos
Fecha: Suelo: Profund.:
Lote: Cultivo:
Propietario: Estado del Suelo:
Zona: Humedad del suelo:
Hora Lectura Relleno a Lámina Tiempo Ii Lam Tiempo
desde cero cero parcial Parcial (cm/hr) acum. acum.
(cm) (cm) (min) (cm) (min.)
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10. ENSAYO DE INFILTRACIÓN:
Fecha: Suelo: Profund.:
Lote: Cultivo:
Propietario: Estado del Suelo:
Zona: Humedad del suelo:
Planilla para ajustar por Mínimos Cuadrados (M.C.)
Hora Tiempo Lectura Enrase Lámina X = log T Y = log Lám X2 = log2 T X.Y =
(min) (mm) (mm) (mm) logT.logLám
Sumas
ΣY ⋅ ΣX 2 − ΣX ⋅ Σ( X ⋅ Y )
a= = =
n ⋅ ΣX 2 − ΣX ⋅ ΣX
n ⋅ Σ( X ⋅ Y ) − Σ( X ⋅ Y )
m= = =
n ⋅ Σ X 2 − Σ X ⋅ ΣX
b = antilog a = Lám (mm)= b.Tm =
B = 60 . b . m = Ii (mm/h) = B.Tm-1 =
1
− 0,1 m− 2
Tb = = Ib = B ⋅ Tb m−1 =
B ⋅ (m − 1)
10

11. 11