Capítulo III AGUA EN EL SUELO
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- Carolina San Segundo Villanueva
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1 Cpítulo III AGUA EN EL SUELO
2 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo III. AGUA EN EL SUELO III.1 AGUA SUBSUPERFICIAL (Cp. 4 V.T.Chow) Entre l superficie del terreno y el nivel freático (del cuífero) se encuentr l zon del suelo no sturd, en l cul se desrroll l infiltrción y el flujo subsuperficil. AGUA EN EL SUELO Porosidd (η) η Vol. de poros / Vol. Totl Contenido de Humedd del Suelo (θ) θ Vol. de gu / Vol. Totl Se cumple: 0 θ η UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 1 Módulo Hidrologí
3 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo PARAMETROS DE HUMEDAD DEL SUELO HUMEDAD DEL SUELO θ* h siendo h l profundidd de suelo considerd. Corresponde l volumen de gu extríd luego de secr l muestr de suelo C. AGUA HIGROSCOPICA: Es de poco interés en hidrologí porque ocup estrechmente un delgd películ lrededor de ls prtículs de suelo y no puede ser removid por fuerzs grvittoris o cpilres. AGUA CAPILAR: Ocup los espcios de los pequeños poros del suelo. El volumen de estos espcios determin l cpcidd de lmcenmiento y retención del suelo. AGUA GRAVIFICA: Es el gu que temporlmente ocup los poros más grndes, en los cules ls fuerzs grvífics son myores ls cpilres, est gu no es retenid por el suelo emigrndo l zon sturd o como flujo subsuperficil. CAPACIDAD DE CAMPO: Es el grdo de humedd de un suelo luego que h perdido su gu grvífic, corresponde l gu higroscópic y l gu cpilr. PUNTO DE MARCHITEZ: Es el grdo de humedd del suelo que rode l zon rdiculr de l vegetción, tl que ls fuerzs de succión de ls ríces es menor que ls de retención del gu por el terreno (fuerzs cpilres de los poros más pequeños). Cundo l plnt no puede bsorber tod l demnd de gu se lcnz el punto de mrchitez temporl, cundo y no puede bsorber gu del suelo lcnz el punto de mrchitez permnente. AGUA DISPONIBLE (AGUA UTIL): Es el gu utilizble por l plnt. Es l diferenci entre l cpcidd de cmpo y el punto de mrchitez (permnente). UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 2 Módulo Hidrologí
4 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 3 Módulo Hidrologí
5 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo III.2 FLUJO EN MEDIOS POROSOS (Cp. 2.6 V.T.Chow) Un medio poroso es un estructur de pequeños conductos, de vris forms y tmños, interconectdos. Lo representremos por n poros equivlentes, que producen l mism pérdid de crg y conducen el mismo cudl. Poros Poros Diferentes n Poros Equivlentes El flujo lminr en un conducto circulr de diámetro D p, con pérdid de crg por unidd de longitud S f, se expres por l ecución de Hgen Poiseulle: V (γd 2 p /32µ)S f (2.6.3) Pr el flujo en medios porosos, se consider el áre totl en l sección trnsversl A que tmbién es ocupd por estrtos de suelo o roc. L relción Q/A no es igul l velocidd rel del fluido, pero define el flujo volumétrico q llmdo el cmpo de flujo de Drcy. Q/A q K S f Donde K es l conductividd hidráulic del medio. Por definición: q Q/A V p n A p /A Sustituyendo V p : q (γd p 2 /32µ) S f n A p /A siendo: n A p /A η es l porosidd, se tiene: q (γ η D p 2 / 32µ) S f L conductividd hidráulic de Drcy puede ser interpretd como: K γ η D p 2 /32µ L velocidd rel promedio del fluido en el medio, es l del poro equivlente: V p q/η debiendo cumplirse R e V p D p /ν < 2000 pr segurr que el flujo es lminr UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 4 Módulo Hidrologí
6 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo Ecución de Continuidd Figur Volumen de control pr el desrrollo de l ecución de continuidd en un medio poroso no sturdo. Ecución de continuidd pr un flujo unidimensionl no sturdo no permnente en un medio poroso: θ q + t z Expresndo l vrición en el contenido de humedd del suelo en el volumen de control, de cuerdo con los flujos lterles. 0 Ecución de Momentum L ecución de Drcy: q K S f Considerndo un flujo verticl y denominndo h l crg totl de flujo se tiene: S f - h / z q - K h / z Si se despreci l energí cinétic: siendo ψ el grdiente de presión cpilr h ψ + z L conductividd hidráulic y el grdiente cpilr dependen de l humedd del suelo (ver Figur 4.1.4) UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 5 Módulo Hidrologí
7 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo El comportmiento de ls gráfics de l Fig , se puede interpretr, teniendo en cuent que ls fuerzs cpilres son myores que ls grvittoris, los poros más pequeños son los que se ocupn primero, umentndo el diámetro medio de los poros vcíos (D m ). Por lo tnto cundo el contenido de humedd θ crece: ψ disminuye es función de l invers de D m K ument 2 es función de D m Ecución de Richrds Sustituyendo en l ecución de Drcy se tiene: (ψ + z) dψ θ θ q K K + K D + K z dθ z z Siendo D l difusividd del gu en el suelo K (dψ/dθ) Sustituyendo en l ecución de continuidd se tiene l ecución de Richrds (1931): θ t z D θ + z K UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 6 Módulo Hidrologí
8 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo III.3 INFILTRACION (Cp. 4.2 V.T.Chow) L ts de infiltrción f (uniddes de velocidd) es l ts l cul el gu entr l suelo en l superficie. L infiltrción cumuld F es l profundidd cumuld de gu infiltrd dentro de un período ddo, o se está dd por: F ( t) f ( τ ) dτ 0 o se f ( t) df ( t dt t ) Ecución de Horton ( ) f ( t ) f c + ( f 0 f ) c e kt k : Constnte de decimiento [T -1 ] UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 7 Módulo Hidrologí
9 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo TIEMPO DE ENCHARCAMIENTO (Cp. 4.4, V.T.Chow) Tiempo de enchrcmiento es el lpso de tiempo (t p ) entre el inicio de l lluvi y el momento en que el gu empiez enchrcr en l superficie del terreno. UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 8 Módulo Hidrologí
10 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo Siendo t 0 el tiempo de comienzo de l infiltrción cumuld de tl form que l ts de infiltrción f en t p se igul l intensidd de lluvi i ( f i ), se determinn t p y t 0 pr Green-Ampt y Horton respectivmente (cumpliéndose que F t p i ). UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 9 Módulo Hidrologí
11 Curso de Hidrologí e Hidráulic Aplicds Agu en el Suelo Método del NC del SCS (Cp. 5.5 V.T. Chow) El método expres l relción entre los vlores cumuldos de precipitción y escurrimiento. Hipótesis del método: F S P e P I I 0. 2S Principio de continuidd: Combinndo: P P + I + F e 2 ( P I) Pe P I + S P e P e 0 ( P 0.2S) P + 0.8S 2 P 0.2S P 0.2S Con l condición I 0.2 S el Método de l Curv Número se trnsform en un modelo de infiltrción de un solo prámetro. Pr estndrizr ests curvs se define un número dimensionl NC, tl que 0 NC 100 El NC y S se relcionn por: 1000 S( mm) 25.4( 10) NC DISTRIBUCION TEMPORAL DE LAS ABSTRACCIONES DEL SCS El escurrimiento cumuldo l finl de cd período se determin prtir de l precipitción cumuld hst ese instnte. Si se utiliz el Método pr estimr el escurrimiento en cd período, se h observdo que el método de SCS tiende tener un infiltrción nul l finl de ls torments, fruto que es un modelo de un solo prámetro: F S( P I ) P I + S P I Diferencindo, y notndo que I y S son constntes: si df P 0 dt Por ello el US Bureu of Reclmtion sugiere l incorporción de un infiltrción mínim que sobre determine los escurrimientos en cd intervlo. UdelR FI IMFIA Agosto 2009 III. 10 Módulo Hidrologí
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