TEMA V INFILTRACIÓN. Objetivo: Analizar la infiltración para su uso como elemento de diseño hidráulico. ASPECTOS GENERALES.

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1 TEMA V INFILTRACIÓN. Objetivo: Analizar la infiltración para su uso como elemento de diseño hidráulico. ASPECTOS GENERALES. INFILTRACIÓN: Es el proceso por el cual el agua penetra en los estratos de la superficie del suelo y se mueve hacia el manto freático. La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre genérico de pérdidas. Las perdidas son: Evaporación, Infiltración, intercepción en el follaje de las plantas y retensión en charcos, lo más importante es la infiltración. Por lo tanto sea f = capacidad de infiltración, es la máxima cantidad de agua que puede absorber un suelo en determinadas condiciones. Si i < f todo se infiltra (no hay escurrimiento directo) i = f todo se infiltra (no hay escurrimiento directo) i > f se infiltra solo f FACTORES QUE AFECTAN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN. 1. Textura del suelo 2. Contenido de humedad 3. Contenido de humedad de saturación 4. Cobertura vegetal 5. Uso del suelo 6. Aire atrapado 7. Lavado de material fino 8. Compactación 9. Temperatura, sus cambios y diferencias 76

2 MEDICIÓN DE LA INFILTRACIÓN. 1) Infiltrómetros de carga constante 2) Simulador de lluvia 1) De tubo simple son los formados por un diámetro de 20 cm y longitud de 45 a 60 cm. Este tubo se inca en el terreno a una profundidad de 40 a 50 cm y el agua se aplica a través de buretes graduados de tal manera que se mantiene un tirante constante suficiente para cubrir las plantas más pequeñas, se toman las lecturas de los buretes a diferentes tiempos. 2) Simulador de lluvia: El agua se proporciona por medio de regaderas, el volumen de agua infiltrada se obtiene como la diferencia de la altura de precipitación total menos la altura de lluvia escurrida. hp = h E + h I h I = hp - h E Es usado en cuencas de laboratorio y experimentales hasta de 40 m 2 77

3 FORMULAS EMPÍRICAS. HORTON f = f + f f ) * e c ( 0 c kt f: capacidad de infiltración (L/T) fc: valor de la infiltración final f0: valor inicial de la infiltración k: factor que depende del tipo de suelo Constantes CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN DE UNA CUENCA. Índice de infiltración: es la capacidad de infiltración que existe en una cuenca. Es una línea horizontal que se traza en el hietograma de tal manera que arriba de esa línea representa el escurrimiento directo y abajo la infiltración. φ se calcula por tanteos. 78

4 Datos: Hietograma medio Hidrograma Área de la cuenca. PROCEDIMIENTO: 1. Del hidrograma se separa el gasto base y se calcula el volumen de escurrimiento directo. 2. Se calcula la altura de la lluvia en exceso o efectiva hpe como el volumen de escurrimiento directo dividido entre el agua de la cuenca. Ved hpe = Ac 3. Se calcula el índice de infiltración medio φ trazando una línea horizontal en el hietograma de tal manera que la suma de las alturas de precipitación que queda arriba de esa línea sea igual a hpe por lo tanto φ sería igual a la altura de precipitación correspondiente a la línea horizontal dividida entre el intervalo Δt que dure cada barra del hietograma. Ejemplo: 79

5 Estación A t hp Calcular: A) Infiltración B) Índice de infiltración C) Duración en exceso D) Cuanto vale el volumen de escurrimiento y el gasto pico si el hidrograma es triangular y el índice de infiltración aumenta al triple. t Q Solución: hf = inf iltración = hp he lluvia media h p = Δ i hpi Ac ( 0.15) + 25( 0.4) + 35( 0.4) + 45( 0.05) 25. m hp = 15 = 8 80

6 Precipitación en exceso se calcula el hidrograma. t Q Qb Qd Ve = Qd * Δt 3 [ ] Ve = 251* 6*3600 = m = Ve he = = A 300 [ m] hf = hp he = = 9.95 mm b) Calculo de φ Hietograma t hp hp Δhp 0 0 0*1.65= *1.65= hp F. a. = = = 1.65 hmáxpluv

7 Δhp t Primer tanteo φ = 8.4 mm/6hrs he = = 3.4mm 18.2mm Segundo tanteo φ = 8.3 mm/6hrs he = ( ) + ( ) = 3.6mm 18.2 mm ( hp ) he = φ 18.2 ( 8.3 φ ) + ( 8.4 φ ) + ( 11. φ ) = φ = = 3 φ = [ mm / hr] [ mm / 6hrs] c) Como corta a las 3 Δt = 6 hrs De = 18 hrs Δhp φ = 3.42 mm t 82

8 d) 3φ = 3*(3.42) = 10.3 mm he = = 1.5 mm Ve A 6 3 he = Ve = he * A = 1.5*300 = 0.45E [ m ] Q Ve tb t t Ve = b *Qp 2 tb = tiempo base Si tb = 30 hrs por ejemplo Qp = 6 Ve 2 *0.45E = t 30 * b = 8.33 [ m / s] Ejemplo 2: Determinar el coeficiente de infiltración φ en la cuenca que tiene los siguientes datos. Ac = 50 km 2 83

9 t hp (mm) Q (m 3 /s) Qb Qd [ ] Ve = QiΔt = 232 *3600 * 2 = m he = = = E [ m] 33. [ mm] Hietograma t Δhp hp (mm) Primer tanteo φ = 5 mm/2hrs he = ( 8 5) + ( 20 5) + ( 24 5) + ( 11 5) + ( 14 5) + ( 5 5) = Segundo tanteo φ = 7 mm/2hrs 84

10 he = ( 8 7) + ( 20 7) + ( 24 7) + ( 11 7) + ( 14 7) = Tercer tanteo φ = 9 mm/2hrs he = ( 20 9) + ( 24 9) + ( 11 9) + ( 14 9) = 33 = 33 de = 8 hrs. φ = 4.5 mm/hr También: t i φ /2= /2= /2= /2= i he Δt = he = i * Δt = 16.5* 2 = 33[ mm] METODO DE LOS NUMEROS DE ESCURRIMIENTO El criterio anterior requiere que la cuenca este aforada, es decir, que se hayan medido gastos de salida al mismo tiempo que las precipitaciones. Dado que la mayor parte de las cuencas del país no están aforadas, con mucha frecuencia no se cuenta con esos datos, por lo que es necesario tener métodos con los que se pueda estimar la altura de lluvia efectiva a partir de la total y las características de la cuenca. El U.S. Soil Conservation Service propone el siguiente metodo, llamado de los números de escurrimiento. 85

11 La altura de lluvia total hp se relaciona con la altura de lluvia efectiva he mediante las curvas mostradas en la figura siguiente: 86

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14 Estas curvas se pueden expresar algebraicamente mediante la ecuación: he 508 hp N = 2032 hp N 2 Que resulta ser más práctica que usar la gráfica, especialmente para valores pequeños. En la figura y en la ecuación, N es el Número de escurrimiento cuyo valor depende del tipo de suelo, la cobertura vegetal, la pendiente del terreno y la precipitación antecedente, entre otros factores. 89

15 En la siguiente tabla se muestran los números de escurrimiento para algunas condiciones. El tipo de suelo se estima tomando como guía la tabla. Para tomar en cuenta las condiciones iniciales de humedad del suelo, se hace una corrección al número de escurrimiento obtenido de la tabla 7.3, según la altura de precipitación acumulada cinco días antes de la fecha en cuestión, de la siguiente manera: a) Si hp5 < 2.5 cm, hacer corrección A b) Si 2.5 < hp5 < 5 cm, no hacer corrección. c) Si hp5 > 5 cm, hacer corrección B. Las correcciones A y B se muestran en la tabla 7.5 El coeficiente de escurrimiento es, según la ecuación 7.9: Vescdir he * Ac Ce = = = Vllovido hp * Ac he hp 90