Permeabilidad saturada en Vertisoles. Uso del Permeámetro Guelph.

Transcripción

1 Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo. VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003 Permeabilidad saturada en Vertisoles. Uso del Permeámetro Guelph. Jorge Alberto Cerana, Pablo Gustavo Fontanini, Oscar Duarte, Silvia Rivarola, Eduardo Díaz, Rene Benavidez Facultad de Ciencias Agropecuarias - Universidad Nacional de Entre Ríos, Argentina jcerana@yahoo.com INTRODUCCIÓN La determinación de los parámetros hidráulicos en suelos de texturas arcillosas exige la selección de técnicas especiales que se adecuen a esas condiciones. Las dificultades son mayores en suelos Vertisoles, expansivos y que se agrieten al secarse. (Bouma y Loveday, 1988). Las técnicas de medición y monitoreo empleadas en suelos arenosos o francos pueden producir resultados erróneos en suelos arcillosos y son inútiles en suelos expansivos. (Bagarello 1993.). El Permeámetro de Guelph (Reynolds y Elrick 1985a) permite efectuar determinaciones en condiciones de campo, en la zona no saturada del suelo. Este método se sustenta en los análisis efectuados por Richards, que ha encontrado una solución efectiva de cálculo de la Conductividad Hidráulica Saturada (K fs ), considerando el flujo tridimensional del agua en el suelo, a partir de un hoyo en donde se mantiene una Carga Hidráulica (H) constante. Las primeras experiencias con el Permeámetro de Guelph en Argentina fueron las realizadas por Benavídez y Bricchi (1995), que trabajaron en suelos franco arenosos de Río Cuarto, Córdoba, habiendo encontrado ventajas sobre otros métodos. El objetivo del presente trabajo es la determinación de K fs en suelos expansivos dedicados a la producción de arroz en condiciones de alta humedad, utilizando el permeámetro de Guelph. MATERIALES Y MÉTODOS La K fs se determinó en 3 localidades de la Provincia de Entre Ríos: San Salvador (Peludert argiacuólico) y Jubileo, (Peludert argiacuólico), Villa Mantero, (Peludert argiudólico (Entre Ríos) y en una localidad de la Provincia de Corrientes, Monte Caseros (Peludert típico), (Figura 1), durante los años 2000 y Las determinaciones fueron realizadas a una profundidad entre los cm. y se totalizaron 27 ensayos. Para todas las mediciones se calculó el porcentaje de humedad edáfica por secado en estufa y las texturas a la profundidad donde se efectuaron las medidas. (Cuadro 1). Cuadro 1. Clasificación y Textura de los suelos bajo estudio Provincia y localidad Textura profundidad Subgrupos de 5-30 cm suelos arcilla limo arena (%) Entre Ríos Argiudolic Peludert 37,00 48,20 14,80 Entre Ríos Argiacuolic Peludert 32,90 62,80 4,40 Corrientes Typic Peludert 38,90 58,00 3,20 La medición de la K fs se realizó por medio del permeámetro de Guelph, SOILMOISTURE 2800K1, instrumento que permite mantener una H constante, en un hoyo previamente barrenado. Mientras el agua fluye a través del suelo, la columna de agua en los reservorios del permeámetro desciende, manteniendo estable la altura de H. Esta velocidad de descenso es registrada por medio de una escala graduada a 0,1 cm, en intervalos constantes de tiempo, permitiendo 17

2 lecturas correctas aún a muy bajos caudales. Cuando las velocidades de descenso se estabilizan obteniendo 3 ó 4 valores iguales o con diferencias menores al 5% se termina la medición. Con el valor de velocidad de descenso estable obtenido se procede al cálculo de la K fs, Figura 1. Ubicación de las localidades Las recomendaciones seguidas para su utilización en suelos Vertisoles, ajustadas por Cerana et al. (2002), fueron: a. Uso del barreno El barreno incorporado en la caja de herramientas del Permeámetro de Guelph, no es recomendable para realizar el orificio en condiciones de plasticidad, debido a la gran compactación y sellado que produce en los suelos Vertisoles, Si bien todos los barrenos alteran el estado estructural de las paredes el barreno de hoja cortante, resulta más conveniente, debiendo considerarse las medidas del hoyo logrado. El cepillo descompactador que trae el permeámetro, no produce mejoras en estas condiciones de trabajo; por el contrario cuando el suelo se encuentra muy húmedo el enlodamiento y sellado de poros se ve aumentado con su uso. b. Utilización de arena en el orificio barrenado El sellado de las ranuras de salida de agua del permeámetro, ocasiona subestimaciones en los valores obtenidos de K fs, y la inoperatividad del equipo. Lilly (1994) recomienda el uso de arena dentro del hoyo para evitar el sellado de las ranuras por el barro, facilitando el correcto funcionamiento del permeámetro en suelos de texturas finas. c. Resultados negativos y solución de Elrick La heterogeneidad que presentan los Vertisoles, junto con los cambios volumétricos sufridos por la humectación a través del tiempo; causaron que en todas las mediciones realizadas donde el sistema de dos cargas hidráulicas (procedimiento recomendado por el manual de instrucciones) 18

3 Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo. VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003 arrojaran resultados negativos. Los resultados negativos de valores de K fs indicarían una distribución irregular de poros, la presencia de un pie de arado o la presencia de horizontes de pequeño espesor. Lilly (1994). Para evitar la obtención de resultados negativos, se optó por la metodología recomendada por Elrick et al. (1989), a través de la única ecuación, con los valores obtenidos por medio de una sola carga hidráulica. El uso de esta ecuación requiere la estimación del factor a. El mismo surge de considerar las características del sitio de ensayo tales como tipo suelo, textura y estructura, lo que permite una correcta elección del valor de a, según cuadro 2 Cuadro 2. Valores de a recomendados por Reynolds para suelos según estructura y porosidad Valor a Características del suelo 0.01 Para suelos compactados, no estructurados o depósitos arcillosos lacustres o marinos Para suelos de texturas finas, arcillas no estructuradas 0.12 Para suelos estructurados, arcillosos a franco, arenas finas no estructuradas 0.36 Para suelos de texturas gruesas, arenosos o gravillosos, suelos muy estructurados. La ecuación de Elrick et al (1989), considera para determinación del K fs la carga hidráulica aplicada, la capilaridad y el potencial gravitacional. K fs = C. Q ( 2. p. H 2 + p. a 2. C + 2. p. H. a -1 ) -1 (1) Donde: K fs : es la conductividad hidráulica saturada a campo. C: es un factor de la forma del bulbo de mojado adimensional. Q es el caudal de agua medido. H: es la carga hidráulica colocada dentro del orificio. α : parámetro que relaciona la textura y la estructura del suelo a: es el radio del orificio. En la ecuación (1), los tres términos del denominador representan, respectivamente la contribución de la presión hidráulica, la gravedad y la capilaridad para el total del flujo externo del orificio. De las observaciones efectuadas en el terreno, se seleccionó un valor a de 4 m -1 para los suelos de texturas finas. d. Elección de la Carga Hidráulica y condición de humedad. La capacidad de expandirse y contraerse de los Vertisoles, según sea su contenido hídrico, produce grandes variaciones estacionales en los valores de K fs. En períodos de bajas precipitaciones las arcillas expansivas se contraen, formando un complejo sistema de grietas y macroporos. Al inicio del riego o de las precipitaciones, los valores de K fs se asemejan a los medidos en suelos arenosos. Por la misma capacidad de expansión y contracción que presentan estos suelos, al secarse forman grietas, particularmente en el subsuelo que están asociadas al flujo "by pass", que consiste en un rápido movimiento vertical del agua gravitacional atravesando horizontes secos o insaturados. (Bouma y Loveday, 1988) (McIntyre et al, 1982). Para comprender el movimiento del agua en suelos agrietables, (Talsma and Van der Lelie, 1976) (Figura 2) considera un modelo de infiltración donde las grietas del suelo irán cerrándose por el hinchamiento durante el humedecimiento. Por otra parte al encontrarse muy húmedos, el K fs es cercano a cero. Las mediciones realizadas, correspondieron a un período de altas precipitaciones y de balance hídrico positivo, en estas condiciones el suelo se mantuvo con alto contenido de humedad en el perfil, disminuyendo la macroporosidad y aumentando la microporosidad por efecto del hinchamiento. El empleo de H de 5 ó 10 cm, recomendadas por el manual, no alcanzaba a generar una presión suficiente para lograr el flujo del agua en el suelo, obteniendo valores de 0 mm h -1 de K fs. Al aumentar H a valores de 20 cm, no se encontraron valores nulos de K fs, En todos los casos se considera que los valores de K fs están siendo subestimados debido al efecto de enlodamiento de las paredes 19

4 del orificio producido por el barreno. Como el estudio plantea reproducir aproximadamente las condiciones de permeabilidad durante el cultivo de arroz, la utilización de 20 cm de carga hidráulica podría simular mejor esta condición. Figura 2. Modelo de humedecimiento de Talsma y Van der Lelie, 1976 RESULTADOS Y DISCUSIÓN En el cuadro 3 se presenta la el resumen de las determinaciones realizadas. Las filas están ordenadas de acuerdo a los valores crecientes de K fs medios, junto con los valores máximos y mínimos obtenidos para cada localidad Los valores de K fs mínimo fueron de mm h -1 y los máximos de mm h -1 ; estos bajos valores de K fs encontrados reflejan las restricciones al flujo del agua en estas condiciones hinchamiento. Es observable importante la disminución de los valores K fs, debido al aumento del porcentaje de arcilla y la disminución del porcentaje de arena. Lilly (1994) realizó determinaciones en suelos de Escocia con texturas desde franco arcilloso a franco arenoso, donde los valores de K fs tomaron un rango desde 0.25 mm h -1 hasta 20 mm h -1. También los valores encontrados son coincidentes con los K fs orientadores expuestos por Young (1991): 0.4 mm h -1 en los suelos de textura fina; 0.4 a 40 mm h -1 para suelos con buena estructura y > 40 mm h -1 para suelos de textura gruesa. Cuadro 3. Conductividad saturada Kfs, valores medios, mínimos y máximos por localidad. Localidad Suelo W % Nº de pruebas Kfs (mm h -1 ) Media Kfs (mm h -1 ) Mínima. Kfs (mm h -1 ) Máxima. Monte Case ros Typic Peludert Jubileo Argiacuolic Peludert San Salvador Argiacuolic Peludert Villa Mantero Argiudolic Peludert W: Humedad gravimétrica Bagarello y Provenzano (1996) considerando diferentes condiciones de humedad, de seco a húmedo, obtuvo valores decrecientes de K fs a medida que aumenta el contenido hídrico. Esto explica que la condición de humedad afecta a la condición de permeabilidad. La naturaleza de los 20

5 Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo. VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003 Vertisoles contraerse y expandirse, según sea su contenido hídrico, produce grandes variaciones en los valores de K fs. Las mediciones realizadas correspondieron a un período de altas precipitaciones y de balance hídrico positivo. En estas condiciones el suelo se mantuvo con alto contenido de humedad en el perfil, disminuyendo la macroporosidad y aumentando de la microporosidad por efecto del hinchamiento. Los bajos valores de K fs encontrados reflejan las restricciones al flujo del agua en estas condiciones de hinchamiento. La ensayos realizados muestran una amplia variabilidad espacial, que como muchas de las propiedades físicas estudiadas en los campos dedicados a la producción de arroz, demuestran las consecuencias del intenso sistema de laboreo-sistematización, y de las condiciones a la cosecha, como se informara en los trabajos de Pozzolo et al (2001) y Cerana et al (2002). CONCLUSIONES El Permeámetro de Guelph constituye una herramienta válida para la medición de K fs para los Vertisoles y otros suelos arcillosos agrietables, si se toman precauciones particulares. El Permeámetro de Guelph es una herramienta de uso estándar y su adopción permite comparar los valores de K fs en suelos con distintas características texturales. Se ha comprobado la conveniencia del uso de H altas, de 20 cm, para suelos de textura fina con altos contenidos de humedad. El rango de valores de K fs encontrados, reflejan el comportamiento de los suelos Vertisoles y otros de características vérticas de la mesopotamia Argentina. REFERENCIAS Bagarello V Osservazioni sull'utilizzazione del Guelph Permeameter per la misura in campo della conducibilita idrica satura. In: Proc. V Convegno Nazionale AIGR, Maratea (PZ) (In Italian). Bagarello V.; Provenzano G., Factors affecting field and laboratory measurement of saturated hydraulic conductivity. Trans. ASAE 39 (1), Benavides R.; E. Bricchi La conductividad hidráulica saturada en condiciones de campo. Método experimental y sus fundamentos físicos. ACTAS Reunión Nacional del Comité de Física de Suelos AACS. Parana. Septiembre pp Bouma J.; Loveday J Characterizing soil water regimes in swelling clay soils. In: Vertisols their distribution, properties, classification and management, Tech.Mph. Nº18 S.M.S.S. Ed L. Wilding R. Puentes Texas Cerana J.; Duarte 0.; Fontanini P.; Rivarola S.; Díaz E.; R. Benavídez Medición de parámetros hidráulicos en suelos expansivos. Implementación de la metodología del Permeámetro de Guelph para la Determinación del Kfs en suelos arroceros de la provincia de Entre Ríos. XVIII Congreso Argentino de Ciencia del Suelo. Pto. Madryn, Chubut. DD 9. Cerana J.; De Battista J. J.; Pozzolo 0.; Rivarola S.; Arias N.; Wilson M.; R. Benavídez El perfil cultural de suelos arroceros". XVIII Congreso Argentino de Ciencia del Suelo. Pto. Madryn, Chubut. pp 79. Elrick D. E.; Reynolds W. D.; Tan K. A Hydraulic conductivity measurement in the unsaturated zone using improved well analyses. Ground Water Monit. Review 9, Elrick D. E.; Reynolds W. D.; Baumgartner K. A.; Tan K. A.; Bradshaw K. L In situ measurements of hydraulic properties of soil using the Guelph Permeameter and the Guelph Infiltrometer. In: Proc. Third Int. Workshop on Land Drainage, Columbus, Ohio. Lilly A The determination of field - saturated hydraulic conductivity in some Scottish soils using the Guelph permeameter. Soil Use and Management 10: McIntyre D. S Capillary rise from saline groundwater in clay soil cores. Aust. J. Soil. Res. 20: Pozzolo 0.; Wilson M.; De Battista J. J.; Cerana J.; R. Benavidez El tránsito de maquinarias en suelos inundados. Efectos sobre la impedancia en el perfil edáfico. IV Congreso Internacional de Ing. Arcola. Chillan, Chile Reynolds W. D.; Elrick, D. E. 1985a. Measurement of field - saturated hydraulic conductivity, sorptivity and the conductivity - pressure head relationship using the Guelph Permeameter. 21

6 Proceedings of the Conference on Characterisation and Monitoring of the Vadose (Unsaturated) Zone, National Water Well Association, Denver. Reynolds W. D.; Elrick D. E., 1985b In situ measurement of field - saturated hydraulic conductivity, sorptivity and the α - parameter using the Guelph permeameter. Soil Sci. 140 (4), Talsma T.; A. van der Lelie Infiltration and water movement in an in situ swelling soil during prolonged ponding. Aust. J. Soil Res. 14: