1.3. EL AGUA EN EL SUELO. PARÁMETROS.

Transcripción

1 Clase 1.3 Pág. 1 de EL AGUA EN EL SUELO. PARÁMETROS Introducción El suelo es el resultado de todos los cambios físicos, químicos, y biológicos sobre las rocas originales o inalteradas, a través del tiempo. La ciencia que estudia el suelo es la edafología (edafos = suelo, logos = estudio o tratado). Desde el punto de vista hidrológico, en el suelo existen: sólidos, líquidos (agua), y gases (aire y vapor de agua), además de componentes biológicos (flora y fauna a nivel microbiológico y macrobiológico) El material sólido El estudio del material sólido en un suelo se centra en su textura y su estructura. La textura del material sólido se refiere al tipo y porcentaje de materiales constitutivos del suelo según el tamaño de sus partículas, mientras que la estructura se refiere a la disposición física in situ de los materiales que lo constituyen. Para definir la textura de un suelo, se construyen curvas granulométricas, ya sean distributivas o acumulativas. Para representar estas curvas debe realizarse previamente un tamizado del suelo, de manera que se obtenga el % en peso de cada tamaño de las partículas del suelo. En las curvas distributivas se representa (Figura 1.3.1) en el eje de las abscisas las dimensiones interiores de las mallas del tamiz usado (generalmente en milímetros), y en el eje de las ordenadas el peso en porcentaje del peso de la muestra que pasa por un tamiz y que retiene el siguiente.

2 Clase 1.3 Pág. 2 de 11 Frecuencia Tamaño de la malla del tamiz o diámetro de las partículas(mm) Figura Representación de la curva distributiva de un suelo. En las curvas acumulativas, en el eje de las abscisas se representa (Figura 1.3.2), a escala normal o logarítmica los diámetros de las partículas, y en el eje de las ordenadas, el porcentaje de peso de materiales respecto al peso total de la muestra que no superan el diámetro correspondiente. En este tipo de curvas, a mayor gradiente o pendiente, mayor es la uniformidad en el tamaño de las partículas y las curvas de igual forma representan suelos con similar uniformidad de sus partículas constituyentes. El parámetro d x es el diámetro tal que el x % de peso de la muestra tiene unas partículas con diámetro inferior a él, se suele definir el d 10 como el diámetro eficaz y la relación d 60 /d 10 es el llamado coeficiente de uniformidad; si d 60 /d 10 <2, se admite que el suelo es uniforme, mientras que si d 60 /d 10 >2, se considera que es variable. 1 Porcentaje respecto al peso total de la muestra Diámetro de las partículas Figura Representación de la curva granulométrica acumulativa de un suelo.

3 Clase 1.3 Pág. 3 de 11 A un suelo uniforme también se le denomina mal clasificado ya que no contiene variedad de tamaños de partículas, a los efectos edafológicos Materia líquida El agua precipitada cuando llega al suelo, puede circular superficialmente, o puede infiltrarse. El agua en el suelo (Figura 1.3.4) o subsuelo puede clasificarse en varias categorías o tipos en función de su grado de retención al suelo: - agua higroscópica: es el agua que forma una película alrededor de las partículas del suelo aislándolas, y queda adherida a ellas por las fuerzas de adsorción 1. No se desplaza por efecto de la gravedad y no es una agua extraíble por las raíces de las plantas, ya que la fuerza de succión de éstas es inferior a la fuerza de retención del agua en el suelo. aría desde 15 a 18% para arenas finas o medias, hasta 0,2 a 0,5% para arenas gruesas. - agua pelicular: es el agua que envuelve al agua higroscópica y a las partículas, y llena los microporos. Esta agua no transmite la presión hidrostática 2, no puede desplazarse por el efecto de la gravedad y sólo puede extraerse por centrifugación. El % en los suelos de este tipo de agua varía desde 40 a 45% para arcillas y hasta 3 a 1,5% para las arenas (Heras, ). - Agua capilar: situada en la zona inmediatamente por encima de la superficie piezométrica, transmite la presión hidrostática, llena los poros y está retenida por las fuerzas capilares. Puede elevarse por encima de la superficie piezométrica y mantenerse en equilibrio en los intersticios de las rocas por la tensión superficial. Puede dividirse en 2 subtipos: Agua capilar aislada: ocupa sólo una parte de los huecos en la zona superior de la capa acuífera, la otra parte de los huecos contiene aire y vapor de agua. 1 La adsorción consiste en la fijación de solutos en la capa límite de agua que rodea la superficie del sólido. 2 es la presión del agua en metros de columna de agua que tiene por encima el punto en cuestión. 3 Heras, Manual de Hidrología. olumen 1 y 2. Dirección General de Obras Hidráulicas. Centro de Estudios Hidrográficos. Instituto de Hidrología. Escuela de Hidrología. Madrid.

4 Clase 1.3 Pág. 4 de 11 Agua capilar continua: se sitúa en la zona por debajo de la anterior ocupando la totalidad de los poros e intersticios capilares y está afectada por la gravedad. - agua gravífica: es la parte del agua infiltrada que se desplaza libremente por efecto de la gravedad a través de los huecos del terreno. Cuando desciende y alcanza un límite impermeable, esta agua continua circulando libremente a través de los poros pero por efecto de los gradientes piezométricos, constituyendo así el agua subterránea que puede extraerse mediante la construcción de pozos. Clasificación del agua del subsuelo según el grado de retención: Categorías Tipos Ligazón con el suelo Agua higroscópica Agua de retención Aguas ligadas al Agua pelicular suelo Agua capilar aislada Agua capilar Agua capilar continua Aguas libres Agua gravífica Agua gravífica respecto al suelo Extracción propiamente dicha Calcinación Centrifugación Gravedad Aire (gas) con vapor de agua Agua pelicular que rodea las partículas Agua suspendida por capilaridad Nivel de máxima ascensión capilar aparente Nivel visible de saturación Agua por debajo del nivel freático Agua capilar Nivel freático % de saturación en agua del suelo Figura Porción de suelo con los diferentes tipos de aguas y con la representación del perfil de humedad (Modificado de Custodio, E., Llamas, M.R., 1983, Figura 8.113).

5 Clase 1.3 Pág. 5 de Propiedades y parámetros del suelo Nivel hidráulico La variable de estado más adecuada (igual que en la zona saturada) es el nivel (carga hidráulica) definido como: energía del agua por unidad de peso y consta de varias componentes. g c a e g es el potencial gravitatorio c es el potencial capilar (también llamado potencial de matriz para enfatizar que no se refiere solo a las fuerzas capilares sino también a la adsorción del agua por el sólido). el potencial osmótico. a el potencial del aire. e el potencial envolvente. El potencial gravitatorio es igual a la cota del punto en que se mide. El capilar también se llama altura piezométrica o de presión (referida al aire) Contenido de agua en el suelo El suelo (volumen total ) está compuesto de una parte sólida ( s ) y una parte hueca ( h ). La parte hueca está parcialmente ocupada por líquido ( l ) y gas ( g ). A continuación se definen las relaciones entre estas variables que se usan en hidrología (Figura 1.3.5):

6 Clase 1.3 Pág. 6 de 11 G g S g e 1 L 1 l S l S 1 Figura Diagrama trifásico (fases líquida L, gaseosa G y sólida S) para entender las relaciones entre los diferentes parámetros. porosidad total, l y g contenidos volumétricos de líquido y gas, e índice de poros, S g y S l grados de saturación de gas y líquido. Porosidad total h Contenido volumétrico de agua l. Es igual a la porosidad cuando el suelo está saturado l l Contenido másico de agua (o humedad del suelo) W relación entre la masa de agua y la del sólido Ml ll W Ms ss Siendo M l la masa del líquido y M s la masa del sólido. Capacidad de campo f o cc es el contenido de agua que queda después de dejar drenar por gravedad durante un período prolongado un suelo inicialmente saturado. Es un valor característico de cada suelo, e importante para la flora puesto que representa el agua que retiene el terreno tras una fuerte lluvia o riego y que posteriormente las plantas podrán utilizar parcialmente para sus funciones vitales. Es similar en valor a la humedad equivalente, que es la medida en laboratorio, y que corresponde al agua retenida tras centrifugar la muestra a 10 atm durante 40 min. Punto de marchitez w o PMP es el contenido de agua más bajo al que puede tener lugar la transpiración de una planta. Para contenidos de agua

7 Clase 1.3 Pág. 7 de 11 menores, la planta se marchita dado que no puede ser aprovechada por succión y a partir de este límite la planta no puede vivir. Es el agua (humedad) que retiene el suelo con tal fuerza, que las plantas mediante la succión, no pueden extraer. Es una parte de la capacidad de campo. El punto de marchitez permanente también puede calcularse en laboratorio. Es el agua retenida tras someterla a una succión o extracción de 15 atm. de presión. Capacidad de retención de agua en el suelo/ Reserva útil (RU)/ Agua utilizable por las plantas (RAU) p es la diferencia entre la capacidad de campo y el punto de marchitez. Es la cantidad (expresada como contenido volumétrico) de agua que permanece almacenada en el suelo y disponible para las plantas. Es el agua que las plantas pueden extraer de la zona radicular del suelo (hasta donde llegan las raíces) y utilizar para vivir. Con frecuencia, las magnitudes cc, w y p se expresan integradas en todo el espesor de raíces. En este caso se identifican como CC, PM y RU respectivamente, y se expresan en columna de agua. Grado de saturación (de agua) (S l ) S l l l h Porosidad efectiva o porosidad drenable S (con frecuencia se traduce literalmente del inglés specific yield como producción específica). y S y. cc Índice de poros e e h s 1 Un ejemplo (Figura 1.3.6): tenemos un suelo saturado al 100% con 0. 3, cc 0.2 y PMP 0. 1.

8 Clase 1.3 Pág. 8 de es el 100%, todos los poros saturados agua que desciende por gravedad hacia la zona saturada RU cc PMP agua que las plantas pueden succionar agua inmóvil en el terreno que las plantas no pueden aprovechar RU Figura Representación de cc, PMP, y reserva de agua utilizable por las plantas (RU) de un suelo con los poros saturados al 100%. En primer lugar por gravedad desciende el agua y contribuye a la recarga. La porción de agua que puede descender por gravedad lo determina el valor de la capacidad de campo. cc Así, si el suelo está saturado en agua por encima del valor de la capacidad de campo, se originará recarga de aguas subterráneas, por el agua gravífica. De manera que quedará una porción de agua saturando algunos poros del suelo que puede ser succionada por las plantas que constituye la reserva de agua utilizable por las plantas que se calcula como: RU cc PMP Y también quedará otra porción de agua en los poros del suelo que forma parte del terreno, es inmóvil y las plantas no pueden utilizarla por succión, por lo que es una fracción de agua en el suelo que a efectos de cálculos del balance de agua en el suelo deberemos obviar Clasificación textural de suelos Los suelos son materiales granulares con contenidos variables de materia orgánica. Existen diversos criterios de clasificación. Los más útiles, desde el punto de vista de estimación de las propiedades hidráulicas, son los criterios de

9 Clase 1.3 Pág. 9 de 11 clasificación en función de su textura. La textura del suelo viene dada por su composición en términos granulométricos. USDA Diámetro partícula (mm) ISSS Arcilla Arcilla Limo Limo A r e n a muy fina fina media gruesa muy gruesa A r e n a fina gruesa Grava Grava Figura Clasificación de granulometría según USDA y ISSS (Haverkamp et al, 1999). Arcilla (Clay, C), Limo (Silt, Si), Arena (Sand, S), Grava (Gravel, G). Las clasificaciones útiles de suelos se obtienen a partir de los porcentajes granulométricos, añadiendo varias veces el porcentaje de materia orgánica (que afecta mucho la retención de agua) y la plasticidad de la arcilla.

10 Clase 1.3 Pág. 10 de 11 Figura Clasificación de suelos según granulometría (Haverkamp et al, 1999). Arcilla (Clay, C), Arcilloso Limoso (Silty Clay, SiC), Arcilloso Arenoso (Sandy Clay, SC), Franco Arcilloso (Clay Loam, CL), Franco Arcilloso Limoso (Silty Clay Loam, SiCL), Franco Arcilloso Arenoso (Sandy Clay Loam, SCL), Franco Arenoso (Sandy Loam, SL), Franco (Loam, L), Franco Limoso (Silt Loam, SiL), Limo (Silt, Si), Arenoso Franco (Loam Sand, LS), Arena (Sand, S). Otra clasificación del suelo a partir de la plasticidad, granulometría del suelo. nos permite obtener valores de la capacidad de campo y punto de marchitez necesarios para calcular el balance de agua del suelo Curvas características o de retención del suelo La forma de relacionar el contenido de agua y la presión capilar en un medio poroso (teóricamente la ley de Laplace) es mediante la curva de retención. Este concepto se explicará detalladamente en el Tema 2.

11 Clase 1.3 Pág. 11 de 11 Capacidad Punto de Permeabilidad Densidad del suelo Textura Porosidad USDA 1 USCS 2 ( ) del campo ( f ) marchitez ( w ) Saturada (m/s) Baja CoS SP 0,417 0,045 0,018 S SW 0,437 0,062 0,024 FS SW 0,457 0,083 0,033 LS SM 0,437 0,105 0,047 LFS SM 0,457 0,131 0,058 SL SM 0,453 0,190 0,085 FSL SM 0,473 0,222 0,104 L ML 0,463 0,232 0,116 SiL ML 0,501 0,284 0,135 SCL SC 0,398 0,244 0,136 CL CL 0,464 0,310 0,187 SiCL CL 0,471 0,342 0,210 SC SC 0,430 0,321 0,221 SiC CH 0,479 0,371 0,251 C CH 0,475 0,378 0,251 G GP 0,397 0,032 0,013 Moderada L ML 0,419 0,307 0,180 SiL ML 0,461 0,360 0,203 SCL SC 0,365 0,305 0,202 CL CL 0,437 0,373 0,266 SiCL CL 0,445 0,393 0,277 SC SC 0,400 0,366 0,288 SiC CH 0,452 0,411 0,311 C CH 0,451 0,419 0,332 Alta Suelo para 0,427 0,418 0,367 impermeabilización Bentonita 0,750 0,747 0,400 1 USDA: G, grava; S, arena; Si, limo; C, arcilla; L, mezcla (loam); Co, grueso; F, fino 1.0 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x USCS: Igual que el USDA y M, limo; H, Plasticidad alta; L, plasticidad baja; W, granulometría uniforme; P, granulometría variable. Tabla Propiedades del suelo en función del tipo de textura (Schroeder et al, 1994).