ARTlCULOS TECNICOS

MEDIDA IN SITU DE LAS PROPIEDADES HIDRAULICAS DEL SUELO Moreno, F.; Andreu, L.; Fernandez, J.E. ; Cayuela, J.A. Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (CSIC), Apdo. 1052, 41080 Sevilla.

RESUMEN

La infiltración de agua se ha medido en dos suelos de diferentes texturas, utilizando la téc­nica del penneámetro de disco, en el rango de potencial desde saluración hasta 100 mm de succión. La conductividad hidráulica y la sorp· tividad se determinaron a partir de esas medi­das. Las medidas de infiltración se realizaron in sil u, en un suelo arcilloso y en un suelo franco arenoso. Jos resultados han mostrado que, en el suelo arcilloso, es la sorptividad y no la conductividad la propiedad más importante para describir el proceso de infiltración. Los resullados para el suelo arenoso mostraron va· lores de conductividad y sorpti\'idad típicos de este lipa de suelos, en donde la gravedad con­trola el proceso de infiltración para valores de succión próximos a saturación .

Palabras clave: conductividad hidráulica, infiltración , permeámetro de disco, sorptividad.

SUMMARY

Water infiltration was measured in two soils of different textures, using the disc per­mea meter technique, in Ihe pressure pOlentíal range of saturation and 100 mm suclion. Hydraulic conductivity and sorptivity were obtained from these measurements. Measure­menls were made in situ in a heavy clay soil and in a sandy loam soil. The clayey soil was a cracking salt-afTecled soil. Results showed Ihal sorptivity and not conductivity is the mos' im­portant property lO describe infiltration into the clayey soil.ln the sandy soil results showed hydraulic properties typicaI for Ihis Iype of soil, gravily dominating infiltration al suction values nearcr saturation .

Keywords: disc permeameter, hydraulic conductivity, infiltration, sorptivity.

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INTRODUCCION

Las propiedades fís icas de la superfi­cie del suelo y de la capa, de algunos

milímetros, por debajo de ella son las responsables de la infiltración del agua en el sue lo y/o de la escorrentia. La modelización y la simulación pueden ser unos instrumentos muy útiles para predecir la infiltración y el movimiento del agua en el suelo. El desarrollo de los modelos necesita de medidas precisas de las propiedades físicas del suelo con e l fin de representar lo mejor posible la realidad. La caracterización de las pro­piedades hidráulicas de la superficie del suelo es también de mucha utilidad en los estudios de los procesos de erosión.

En muchos suelos, los macroporos juegan un papel importante en el trans­porte rápido del agua durante la infiltra­ción, ya que estos operan cuando el potencial del agua en el suelo es muy alto (próximo a cero). Debido a la natu­raleza frágil de los macroporos, para conocer su contribución a las propieda­des hidráulicas del suelo es necesario realizar las medidas "in situ" .

Se han desarrollado algunos intru­mentas y técnicas para las medidas en el campo de las propiedades hidráulicas del suelo en condiciones no saturadas (Dixon, 1975; Hillel y Gardner, 1970; Bouma y Denning, 1972). Reciente-

mente se han desarrollado instrumentos simples (Clothier y White, 1981; Pe­rrOux y White, 1988) que penniten me­dir fáci lmente "in situ" las propiedades de absorción y transmisión del sue lo no saturado: la sorptividad (sorptivity) S (phil ip, 1957) Y la conductividad hi­dráulica K respectivamente. La influen­cia de los macroporos en la infiltración puede ser estimada comparando los va­lores de sorptividad (So) y conductivi­dad hidráulica (1<0) a un potencial ("'0) en condiciones no saturadas (pero pró­ximos a saturación), con los valores de S y Ks medidos a saturación ("'0) (Wat­son y Luxmoore, 1986; Jarvis et al., 1987; Thony et al " 1991 ).

El presente trabajo presenta medidas de conductividad hidráulica y sorptivi ­dad, de dos suelos de diferente textura, utilizando la técnica del doble penneá­metro de disco. Asimismo, se discute la influencia de las caracterís ticas del sue­lo en estas propiedades.

MATERIAL Y METODOS

Sitio experimental

Las medidas se han realizado en dos suelos diferentes de la provincia de Se­vi lla. Uno de los suelos es salino muy arci lloso y está situado en las Marismas del Guadalquivir, en la zona de Lebrija. Este suelo (clasificado como Fluva-

• Comunicación presentada al IX Congreso Nacional de Química (Química Agrícola y Alimenta­ria-3), Seyilla (España). 26 al 29 de septiembre de 1993.

RIEGOS Y DRENAJES XXI 173 / 1993

E

Sr ---411

Fig.l Esquema del pemlcámetro de disco

RA: depósito de alimentación RO: Marione M: malla de nylon el: capilar móvil para ajustar e l potencial e2: capilar de aireación T: tubo de llenado P: pinza de Mohr

o

o

M

E: base de goma para sujetar la malla de nylon ho=h2-hl hoes negativa para h l > h2

quent) tiene un 70% de arci lla y un 25 % de limo y muestra fenómenos de expan­sión y contracción de acuerdo con las variaciones del contenido de agua. El otro suelo es arenoso y está situado en el término munjcipal de Coria del Río (13 km al sur de la ciudad de Sevilla). Este suelo (clasificado como Xero­crept) tiene un 59% de arena gruesa y un 15% de arcilla.

Permeámetro de disco

El permeámetro de d ¡seo uti 1 izado en este trabajo fue construido siguiendo el diseño de Perroux y White (1988). En el

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o

Medida in situ de las propiedades hidráulicas del suelo

p

o

C1

C2 RD

esquema de la Fig. 1 se muestran las partes principales del perrneámetro. La base está cubierta con una malla de nylon (M) de 20 ~m de luz. El tubo (RD) sirve de Mariotte y posee una en­trada móvil de aire (C 1) que se usa para ajustar el potencial del agua (I¡!o) en la base de la malla de nylon. El tubo (RA) sirve de depósito de agua para la infil­tración y lleva una escala graduada que pennite leer los volúmenes de agua in­filtrados en función del tiempo. Las me­didas con los permeámetros fueron realizadas en diferentes sitios seleccio­nados en una parcela representativa de

cada suelo. La superficie del suelo, en cada sitio, se cubrió con una capa muy fina de arena seca (tamaño de grano 0,1 mm) con el fin de asegurar un buen contacto de la base del penneámetro con la superficie del suelo. La superfi­cie cubierta por la arena es exactamente la misma que la de la base del perrneá­metro. La infiltración acumulada lo(t) se detem1inó a partir de las lecturas en la escala graduada del depósito (RA).

Para intervalos de tiempo cortos du­rante el proceso de infiltración tridi­men s ional desde la superficie del permeámetro con un potencial \¡lo en la superficie del suelo, existen algunos pe­ríodos de tiempo donde la capilaridad es dominante y entonces 10Ct) será pro­porcional a la raíz cuadrada del tiempo (Philip, 1957). En eSle caso, para este período de tiempo la sorptividad a un potencial \110 puede ser detennjnada a partir de: lo=Sot '!2 (1)

Para tiempos más largos, la naturale­za tridimensional del flujo desde el per­meámetro, el cual se mantiene a un potencial 'Vo. crea una tasa de flujo es­tacionaria dada por qo~=(dIJdt)/ITr". De acuerdo con Wooding (1968) el flu­jo estacionario desde un penneámetro de radio r viene dado aproximadamente por

qo= K., + 40J IT I/r (2) En esta ecuación, el primer ténnino

representa el flujo vertical que se pro­duce directamente debajo de la base del pem1eámetro, mientras que el segundo tem1ino representa el flujo capilar fuera del perímetro del perrneámetro. En la ecuación (2), 00 es el llamado potencial de flujo malrico (Raats y Gardner, 1971) Y viene dado por:

f~o ¡'lo 00= K(I¡!) dI¡! = J _ D(e)d8

\¡In en

(3)

donde 'JIn Y 'Vo son los potenciales para los contenidos de agua inicial 90 y final en respectivamente y D(e) es la función de difusividad del agua en el suelo.

Como se ha mencionado anterior­mente. en algunos casos la rugosidad de

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ARTICU LOS TEC NIC OS

10- 1 I I , ,

.,,,, r E • superficie E • 30 cm

1 1 I 1

, ,

1 1

E E

0.4

0.3 -

-.0.2 --e: '" .., '" ..,

,

:~ 0.1 I-r c. ... o

'" 0.0 I

, I I , ,

,. 1 , .

1 1

• superficie • 30 cm

1 1 -1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1

, .... " " 1 " . ,,' ", ..

,"" -,'" " , ... ' ,;lO' ... ,-

.,-""

I 1 I I

-

-

I

-1 00 -80 - 60 -40 -20 Potencial, '1'0 (mm)

o -100 -80 -60 -40 -20 Potencial, '1'0 (mm)

o

Fig. 2.- Variación de la conducti vidad hidráulica y de 13 sorptividad con el potencial apl icado. en el suelo arcilloso.

la superficie del suelo hace necesario la ut ilización de una fina capa de arena para asegurar un buen contacto de la superficie del penneámetro. La absor­ción de esta capa puede enmascarar, en los momentos iniciales, la relación en­tre la infiltración y la raíz cuadrada del tiempo. por lo que es díficil determinar So lIsando la ecuación (1). Algunos sue­los de textura gruesa (arenosa) mues­tran dicha relación , durant e la infiltración tridimensional, para un pe­

ríodo de tiempo muy corto. Para resol ­ver estos problemas Smetten y Clolhier ( 1989) aplicaron la técnica del doble permeámetro de disco de Scouer el al. (1982) al flujo en condiciones no satu­radas. Ello requiere la utilización de dos permeámetros de disco de radios dife­rentes. Los permeámetros utilizados en este trabajo tienen de radios r[ ;:: 125 mm y r, = 40 mm. Con los flujos esta­cionarios qooo medidos con ambos per­meámetros (q, y q,), la solución simultánea de la ecuación (2) da:

Ko = (q¡r, - q, r,)/(r¡ - r,) (4)

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De manera similar el potencial de flujo matrico puede ser calculado a par­tir de:

~o = 1[/4 (q , - q2)/( 1/r¡ - 1/r2) (5) Para detenninar So se ha utilizado la

ecuación

S02= ~o(eo - eo)!b (6)

(White y Sully, 1987), donde en y eo son los contenidos iniciales y finales de agua respectivamente. De forma razo­nable es frecuente asumir que b -0,55 .

Los valores de qoo obtenidos con los dos permeámetros a diferentes succio­nes pueden ser representados frente al

Visw de los pemleámeuos de disco durante la medida de la infi ltración en el campo

inverso del radio del pemleámetro. Co­mo se puede deducir de la ecuación (2) la ordenada en el origen de esa recta es Ko y la pendiente 4~J1[.

RESULTADOS Y DrSCUSION

En la Fig. 2 se han representado los resultados correspondientes a las con­ductividades hidráu licas y sorptivida­des obtenidas para el suelo arcilloso. La disminución de la conducti vidad hi­dráulica (Ko) con el potencial de pre­sión, en la superficie del suelo, es considerable para el rango - 30 > IJIQ >- 100 mm. Esta disminución fue mu­cho menor cuando las medidas se reali ­zaron a 30 cm de profundidad. La sorplividad muestra una tendencia si­milar a la de la conductividad hidráuli ­ca. Lo s elevados valores d e conductividad hidráulica observados a saturación (lJIo = O) o muy próximo a saturación (lJIo = - 10 mm) podría deber­se al efecto de la gravedad, que aunque no es esperable en un suelo de textura arcillosa, se manifiesta como conse-

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Medida in situ de las propiedades hidráulicas del suelo

Tabla l.· Propiedades hidráulicas de los suelos (1) arcilloso; (2) arenoso.

Potencial Contenido Conductividad Sorptividad Tiempo Radio de presión de agua hidraulica

"'o dO Ko (mm) (m3 m·3) (mm 0'21

(1) superficie

O 0,1 60 7,SO 10.3

·30 0,160 2,00 10"3 -lOO 0,160 1,05 10""

profundidad 30 cm

O 0,1 15 1,7610-3

-30 0,115 5,3210"" -lOO 0,1 15 1,7310"" (2)

superficie O 0,212 1,6010-3

-30 0,209 1,1410-3 -lOO 0,1 77 10510-3

cuencia de la existencia de grietas y

fisuras. Por el contrario, a 30 cm de profundidad las grietas y fisuras eran mucho menores que en la superficie y

por lo tanto su influencia en la conduc­tividad hidráulica a saturación fue me­

nos pronunciada.

De acuerdo con Philip (1969), du­

rante el proceso de infiltración monodi­mensional el tiempo a partir del cual la

gravedad debería ser el factor dominan­

te en la infiltración viene dado por la expresión.

t,m, = (SJKo)' (7) Para el suelo arcilloso se ha calcula­

do un t",. de 36,3 mino para el flujo saturado ('Vo= O), lo que indica un pre­dominio de la gravedad en el proceso

(Tabla I). Para condiciones de menor saturación ('Vo = -1 00 mm) se obtuvo un

t,n .. de 252 horas. A 30 cm de profundi­dad el tg,,, (Tabla 1) para flujo saturado

y no saturado muestra un comporta­

miento diferente lo que indica una me­nor influencia de la gravedad. En la ' matriz del suelo (sin grietas ni fi suras) es la sorptividad la propiedad más' im­portante para describir la infi ltración en este suelo, en lugar de la conductividad.

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de

Doro

So tarav Am

ímm 0. 1/2) (mln) (¡1m)

0,35 36 132

0,18 135 135

0,1 0 15.117 22

0,32 551 27

0,15 1.325 26

0,10 5.570 27

0,080 42 715

0,062 49 837

0,059 54 720

A partir de la teoría de la capilaridad Philip (1987) ha definido un radio de Ero característico ).m ' ni = a/pg I/lc= 13.5 (90 - en) Kc/s,,' lmm!(8)

donde cr es la tensión superficial del agua, p la densidad y g la aceleración debida a la gravedad. Para la superficie del suelo y un 'Vo=O el valor calculado de Nn es 132 ¡tm y para 'Vo = -100 mm el radio de poro característico es 22,7 ¡tm (Tabla 1). El valor de 132 ¡tm con­firma que a saturación son las grietas o fisuras las que operan durante la infil­tración como se ha mencionado ante­riormente. Los resultados presentados aquí son algo diferentes de los obteni­dos por Thony el al. (1991) para el mis­mo suelo. La razón de esta discrepancia puede ser atribuida a que las medidas efectuadas por estos autores se hicieron cuando la superficie del suelo mostraba condiciones algo diferentes, debido a un contenido inicial de agua más elevado.

Los resultados obtenidos en el suelo arenoso se muestran en la Fig. 3. La conductividad hidráulica varia muy po­co con e l potencial de presión impuest.o. Al mismo tiempo, los valores de Ko (alrededor de 1,6 mm S-1 a saturación o próximo a saturación) parecen relativa­mente pequeños para un suelo arenoso,

Esto podría ser debido al sellado de la superficie del suelo ya que las medidas se realizaron en el mes de Septiembre. después del período de riego de un cul­tivo de maíz. Los sucesivos riegos ap li ­cados durante el período de cultivo produjeron una compactación y sellado de la capa superficial del suelo. En estas condiciones las propiedades hidráulicas de· la superficie deben limitar fuerte­mente la infi ltración del agua en el sue­lo durante las primeras lluvias en Octubre, produciendo escorrentias. La sorptividad (Fig. 3) muestra una ten­dencia similar a la de la conductividad hidráulica. Los valores de Ko Y So pare­cen indicar que no existen cambios, o son muy pequeños, de las propiedades de absorción y transmisión de agua en el rango de potencial -30> 'Vo > - lOO mm.

Para e l suelo arenoso se ha calculado un valor de tgrav de 41 min o para 0/0=0 (Tabla 1), lo cual indica que es la gra­vedad el factor que predomina durante la infil tración. El valor del radio de poro característico es de 715)lm para un flu­jo en condiciones de s~turación. Este valor está en desacuerdo con los bajos valores de conductividad hidráulica ob­tenidos, lo que podría deberse a que existen poros aislados o no funcionales en cuanto a la transmisión del agua co­mo ha sugerido Carter ( 1988) cuando compara la macroporosidad del suelo bajo labor de vertedera y siembra direc­ta .. Así mismo, Douglas (1986) ha en­contrado que para la relación entre macro porosidad y conductividad hi­dráulica e l coeficiente de correlación es prácticamente cero, La nalUraleza y las fonnas de interconexión en los macTO­poros de la capa superficial del suelo es importante para la transmisión del agua durante la infiltración.

CONCLUSIONES

La utilización del permeámetro de disco permite caracterizar fác ilmente las propiedades hidráulicas de los sue­los "in situ", en condiciones de salUra­ción o próximas a saturación. A partir de los valores de conductividad hidráu­lica y sorptividad puede establecerse la

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ARTlCULOS TECNICOS

• superficie

1 1 1 1 1 1

0 .10 r-,,---,,--,,~--r,--r---r, ~-.--,~,.---,,

--; 0.08 1-en

E E ~

~ 0.06 ~",

r- .----------------. ~

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'" :g 0.04 r->

§. • superficie

o r/l 0.02 -

,­,-,. -

-

-

-

1 1 1 1 1 J 0.00 L-'-'---''---'----'--,--L--,-----L-,---,-----.J -100 -80 -60 -40 -20

Potencial, 'l'o (mm)

o - 100 -80 -60 -40 -20

Potencial, 'l'o (mm) O

Fig. 3.- Variación de la conducfividad hidn1ulica y de la sorpliv idad con el potencial aplicado. en el suelo arenoso.

influencia de la capilaridad y la grave­dad en la infiltración del agua en el suelo. Para el suelo arcilloso, los resul ­tados muestran c laramente la influencia de las grietas y fi suras en la transmis ión de l agua durante la infiltración a saUlr3-

ción. Esta técnica también pennite la caracteri zación de los cambios tempo­rales de las propiedades hiráulicas de la superficie del suelo. Los valores obteni­dos con estas medidas pueden ser usa­dos en modelos para predecir la tasa y tendencia de la infiltración del agua en e l suelo.

AGRADECIMIENTO

Los autores agradecen al Sr. J. Ro­driguez. Ayudante de Investigación, I,a colaboración prestada durante las med i­das de campo. Este trabajo se ha reali ­zado d e ntro del co ntrato n O EV4V-0099-C (A) de la CE.

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