ZONA NO SATURADA. Formas de agua en el suelo

Transcripción

1 ZONA NO SATURADA Introducción Definición Zona no saturada (ZNS) Caja negra Hidráulica (régimen de flujo del agua, conductividad hidráulica, etc) Hidroquímica Investigaciones Estudio de lixiviación Poder depurador Recarga de acuíferos, cálculo de la ET y de eficiencia de riegos, etc Problemática Escala de trabajo Representatividad de los resultados Instrumentación de campo Reproducción en laboratorio Determinaciones analíticas en aguas y suelos Zona edáfica Zona de aireación Zona capilar Zona no saturada Nivel Piezométrico Zona saturada ACUÍFERO Formas de agua en el suelo Prof ZNS Franja capilar ZS Humedad Presión Agua de retención: agua retenida en los poros o alrededor de las partículas del suelo en contra de la acción de la gravedad Agua higroscópica: agua inmóvil que rodea a las partículas del suelo y sólo se desplaza en estado vapor (retención por medio de enlaces químicos entre los dipolos del agua y las valencias libres de los minerales) Agua pelicular: rodeando las partículas del suelo y el agua higroscópica con una pequeña película que no sobrepasa 01 micras (retención por fenómenos de tensión superficial) Agua capilar: agua retenida en conductos de pequeño tamaño (microporos) por fenómenos de capilaridad y tensión superficial Agua capilar aislada o colgada Ligada a la ZNS Eliminar por centrifugación Agua capilar continua Ligada a la ZS, así su presencia puede alcanzar varios metros de altura en materiales arcillosos y milímetros en gravosos Agua gravífica: agua que se desplaza libremente por el suelo bajo efecto de la gravedad 1

2 Distribución vertical del agua en el suelo Zona no saturada Subzona edáfica o de evapotranspiración Subzona intermedia Subzona capilar Nivel Piezométrico Zona saturada ACUÍFERO Agua higroscópica, pelicular y capilar aislada Agua higroscópica, pelicular (menor porcentaje) y capilar aislada Todas excepto agua gravífica Aguas subterráneas Textura y estructura del suelo Mineralogía Densidad y porosidad Caracterización hídrica del suelo (humedad) Conductividad hidráulica Curvas características Altura capilar Índice de distribución de tamaño de poros Adsorción radicular Caracterización microbiológica ph, capacidad de cambio iónico, carbono orgánico, etc Va Aire Ma Textura y estructura del suelo: distribución granulométrica Mineralogía: minerales presentes Densidad y porosidad Aparente (δ b ): masa de suelo seco por volumen de suelo Mineral (δm): : masa de suelo por volumen de sólidos del suelo Humedad (θ): contenido de agua en el suelo Sus valores están comprendudos entre 0 para un suelo totalmente seco y un máximo de saturación (G), cuando todos los poros están ocuapdos por agua Grado de saturación: relación entre el volumen de agua y el volumen de agua a saturación Capacidad de campo, estado alcanzado por un suelo saturado después del drenado por gravedad El contenido de humedad correspondiente a este estado es la capacidad de retención Vf Vt Vw Agua Vs Sólidos Densidad mineral Densidad aparente Porosidad Humedad gravimétrica Humedad volumétrica Mt Mw Ms δm = M s / V s δb = M s / V t n = V f /V t w = M w / M s θ = V w / V t 2

3 Medidas de la humedad del suelo Imprescindible para balances de agua en el suelo valores experimentales de la tasa de evapotranspiración cálculo de la recarga determinación del flujo tanto saturado como no saturado mecanismos principales de transporte de solutos MÉTODOS 1 Gravimétrico Pesar un volumen dado de muestra y se seca sin tapar en una estufa a 105 ºC durante un mínimo de 24 hora (estufa de convección) Una vez seca, se deja enfriar y se pesa, siendo la diferencia de peso el contenido de humedad (%) Fiable, Inconvenientes: destructivo 2 Sonda de neutrones Basada en la interacción de los neutrones emitidos por la fuente radioactiva y los átomos de hidrógeno del agua intersticial Inconvenientes : Coste, manejo, calibración Medidas de la humedad del suelo MÉTODOS 3 TDR (Time Domain Reflectometry) Medición de la constante dieléctrica del complejo agua-suelo Inconvenientes variabilidad de lecturas en un mismo punto error superior a variaciones validación de la ecuación de Topp para cada suelo correlación entre las medidas de humedad TDR y gravimétrica Célula Coaxial Sonda TDR de 3 puntas Sondas TDR Status de energía El agua en la ZNS está sometida a una presión menor que la atmosférica Existen tres fases: agua, aire y sólidos El agua moja la superficie de los granos y los envuelve, mientras que el aire ocupa la parte central de los huecos Presión capilar, tensión o succión: diferencia entre la presión del agua y del aire, y refleja la tendencia del medio saturado a succionar el agua o repeler el aire Si la fase gaseosa es continua, la presión del aire coincide con la atmosférica y, por lo tanto, la del agua es negativa (p) ψ= -p/γ ψ: tensión o succión γ: peso específico del agua Potencial pf = log 10 (ψ) Status de energía El agua en la ZNS está sometida a una presión menor que la atmosférica, y es la resultante de los denominados potencial gravitacional (efecto de la gravedad) potencial matricial (interacciones del agua con la matriz sólida) potencial osmótico (presencia de solutos en el agua) potencial de presión del aire potencial de presión de sobrecarga En la práctica, sólo se suele considerar el potencial de succión (F), incluido en el matricial, y el potencial gravitacional (z), de manera que el potencial total (h) se puede expresar como: h = z - F en donde h está expresado en unidades de longitud por unidad de peso (cm ó m) Si la altura de referencia es asumida como z = 0 en la superficie del suelo: h = F Esta presión se la denomina presión capilar, succión o tensión (F) que se expresa en centímetros de altura de agua y refleja la tendencia del medio no saturado a succionar agua o a repeler aire Existe un valor (succión critica ψ c ) a partir del cual los poros más grandes comienzan a drenarse ψ c = /d 10 (1-n/n) 3

4 Medidas del estado energético del agua en el suelo (tensiometría) Tensiómetros: medida de la succión Utilizados para Elaborar curvas de retención Deducir valores de humedad Caracterizar el flujo Inconvenientes Descalibración Histéresis Afección de factores externos (temperatura) Conductividad hidráulica (K) Medida de la capacidad de un suelo de dejar circular un fluido Es función de las características intrínsecas de la matriz del suelo y de las propiedades del fluido contenido en dicho suelo Su valor decrece de manera exponencial a medida que disminuye el valor de la humedad (θ) Conductividad hidráulica saturada (suelos saturados) a partir de la textura del suelo permeámetros de laboratorio infiltrómetro de Philip-Dunne permeámetro Guelph Conductividad hidráulica no saturada infiltrómetros de anillos (TRIMS = Triple Ring Infiltrometer at Multiple Suctions) Relación humedad - tensión Curva de retención o curva de succión-humedad, que representa la evolución del contenido volumétrico o grado de saturación en función de la succión y refleja la capacidad del suelo para retener agua en función de la succión ejercida Característica de cada suelo Su forma depende de la estructura del suelo y de la geometría y distribución de los tamaños de los poros Regiones Región de entrada de aire, que corresponde a la franja en que el suelo se encuentra saturada donde el potencial varía y el contenido de agua no Región capilar, en la que pequeños incrementos de succión provocan el drenaje de los poros más pequeños y el contenido de agua en el suelo disminuye rápidamente Región de adsorción, sólo queda el agua adsorbida en las partículas del suelo e importantes cambios de succión se asocian a cambios pequeños de contenido de agua Curva retención Determinación en campo o en laboratorio Histeresis: Se debe a que los ángulos de contacto del agua con la fase sólida son distintos en mojado y en secado Existen funciones para representar y modelizar las curvas de retención Usos Determinar el índice de humedad disponible en suelo Estimar ciertos valores de humedad característicos de la relación suelo-agua-planta (cc, pm) Clasificar los suelos Detectar cambios en la estructura del suelo Determinar la relación entre la tensión de la humedad y otras propiedades físicas θ (cm 3 / cm 3 ) humedecimiento secado limo arenoso h (cm) 4

5 Retención de agua en el suelo Retención de agua en el suelo 60 θ (%) Capacidad de campo Punto de marchitamiento Punto higroscópico Agua gravitacional Agua disponible Capacidad de campo: grado de humedad de una muestra que ha perdido su agua gravífica (agua que queda en el terreno después de un riego o lluvia y podrá ser aprovechada por las plantas) Punto de marchitamiento: grado de humedad de un suelo que rodea la zona radicular de la vegetación, tal que la succión de las raíces es menor que le retención del agua por el terreno y en consecuencia la planta no puede extraerla Punto higroscópico: grado de humedad que corresponde al agua higroscópica, la cual no se desplaza No disponible Potencial (kpa) Suelo no saturado Relación humedad-tensión Curva de conductividad - succión Suelo arenoso Suelo arcilloso Potencial h (cm) K (θ) Otras características Caracterización microbiológica Ciertos procesos que afectan al transporte de contaminantes, típicamente, los que afectan al nitrógeno, pero también otros, dependen de la presencia y abundancia de determinadas bacterias ph Afecta la movilidad de contaminantes Por ejemplo, excepto para selenio, cromo y arsénico en algunos estados de valencia, la movilidad aumenta cuando disminuye el ph Capacidad de cambio iónico La adsorción de compuestos orgánicos e inorgánicos depende de esta característica Carbono orgánico La adsorción de compuestos orgánicos no iónicos está generalmente controlada por la fracción orgánica del suelo Otras 5