Irrigación y drenaje unidad II relacion agua agua-suelo




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títuloIrrigación y drenaje unidad II relacion agua agua-suelo
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2.9.- Movimiento del agua en el suelo
Para tener una base que permita desarrollar una serie de conceptos posteriores, es necesario recordar algunas leyes vistas en hidráulica y que rigen el movimiento del agua en el suelo. Las tres ecuaciones que se debe tener en mente son: la ecuación de continuidad, la ecuación de Bernoulli y la ecuación de Darcy-Weisbach.
De acuerdo a la condición del medio en el que se mueve el agua en el suelo, se reconocen tres tipos de agua: flujo en medio saturado, agua líquida; flujo en medio no saturado, agua en forma líquida; flujo del vapor de agua, agua en estado gaseoso.
Existen varios factores que determinan que el agua se mueve en el suelo, entre los más importantes se encuentran: la cantidad de agua aplicada, la capacidad de infiltración, la conductividad hidráulica de los horizontes inferiores, y la cantidad de agua que el suelo puede retener.
Movimiento de agua en suelos saturados. Se dice que el suelo está saturado cuando el gradiente de potencial hídrico esta controlado por la fuerza de gravedad. Esto sucede cuando el contenido de humedad está por encima de la capacidad de campo. El movimiento del agua en este tipo de suelo se realiza principalmente en los espacios que ocupan los poros mayores. En este caso la ley de Darcy es válida y la velocidad con la que pasa el agua a través de un suelo saturado, se calcula con la siguiente ecuación:
Ecuación de Darcy para un suelo saturado (2.32)
Donde;
q es la velocidad del flujo (cm/h)

Ks es la conductividad hidráulica a saturación (cm/h)

H es el gradiente de presión en la zona saturada (cm)

z es la longitud de un punto a otro (cm)
El problema principal en un suelo saturado es el drenaje, y la fórmula anterior se emplea generalmente para determinar la permeabilidad de las muestras de suelo en cilindros pequeños en el laboratorio.
Movimiento de agua en suelos no saturados. Un suelo esta no saturado cuando el agua se mueve en películas que rodean a las partículas del suelo, este movimiento esta controlado por fuerzas de tensión superficial (capilaridad) y no por fuerzas de gravedad en los poros, esto se presenta cuando el contenido de humedad esta por debajo de la capacidad de campo.
El contenido de agua depende del cambio de tensión, a mayor tensión en el suelo entre dos puntos, hay mayor movimiento de humedad, además dicha tensión es inversamente proporcional al contenido de humedad, cabe hacer mención que la ley de Darcy puede aplicarse al flujo no saturado, si K se considera como función del contenido hídrico. A medida que el contenido de humedad y potencial hídrico disminuyen, la conductividad hidráulica desciende muy rápidamente.
Ecuación de Darcy para un suelo no saturado (2.31)
Para explicar el cambio en el contenido de humedad en el suelo debido al movimiento del agua se utiliza la ecuación de Richards:
Ecuación de Richards expresada unidimensionalmente (2.32)
C es la capacidad específica; la ecuación expresa que el cambio de presión (h) con respecto al tiempo (t) es igual al cambio de flujo (q) con respecto al cambio de posición (z).
Movimiento de agua de un suelo saturado a uno no saturado. El movimiento de agua partiendo de un frente de mojado es importante en irrigación, principalmente cuando se tienen suelos con niveles freáticos elevados. Si el suelo se encuentra saturado, la dirección predominante del agua es hacia abajo. Por el contrario, si dicho suelo no lo está tenderá a moverse tanto verticalmente como horizontalmente (hacia los lados). Si el suelo esta muy seco, el movimiento lateral puede ser, por cierto tiempo, tan grande como el movimiento hacia abajo.
La cantidad de agua que entra en un suelo dado, es mayor cuando el suelo esta seco que cuando está húmedo, sin embargo, el avance del agua a través del suelo es menor cuando el suelo esta seco. Esto se debe a que cuando la humedad llega hasta el suelo seco, la conductividad hidráulica disminuye bruscamente hasta que el suelo tiene alrededor de 80% de saturación, después de los cual se mueve bastante rápido a la próxima partícula de suelo.
Movimiento del agua en estado de vapor. Cuando el contenido de agua es cercano o menor que el PMP, la continuidad de las películas líquidas se rompen y el agua se mueve únicamente en estado de vapor.
Tal movimiento se desarrolla en forma de difusión molécula a través del aire del suelo y produce un transporte de agua si hay un gradiente de presión del vapor de agua.
Anexos

Anexo 1
En un análisis de suelo se aplicaron los siguientes procedimientos:

a) Método de campo para determinar la densidad aparente

b) Método gravimétrico para determinar el contenido de humedad en el suelo, expresándolo en tres formas distintas (gravimétrica, volumétrica y lámina de agua, considerando una profundidad unitaria de 1 m = 100 cm).

c) Método de hidrómetro de bouyoucos para determinar la textura del suelo.
A continuación se muestran los datos obtenidos en campo y laboratorio:


  1. Método de campo para determinar la densidad aparente.


Peso total de la muestra de suelo húmedo (Psht) = 6.893 kg

Volumen total de la muestra de suelo (Vt) = 4 lt
Para no llevar todo el suelo extraído de la perforación, se tomó una muestra de suelo y se llevó a laboratorio para obtener su contenido de humedad por el método gravimétrico.


  1. Método gravimétrico para determinar el contenido de humedad de la muestra de suelo.


Peso de la muestra de suelo para determinar humedad (Psh) = 215 gr

Se sometió a secado en una estufa a temperatura de 110°C durante 24 horas y se pesó la muestra de suelo seco (Pss), cuyo valor es de 176.2 gr.


  1. Método del hidrómetro de bouyoucos para determinar la textura dio los siguientes resultados:


Arena = 34%

Arcilla = 28%

Limo = 38%
DETERMINAR LOS SIGUIENTES PARÁMETROS:


  1. Densidad aparente del suelo.

  2. Porosidad

  3. Contenido de humedad en forma gravimétrica (w)

  4. Contenido de humedad en forma volumétrica ()

  5. Contenido de humedad en lámina de agua (L, considere la profundidad de 100 cm).

  6. De acuerdo con el triángulo de texturas, ¿Cuál es la textura del suelo correspondiente?


Para calcular la densidad aparente (Da) se requiere el valor del contenido gravimétrico de humedad (w).

    1. Utilizando la ecuación 2.7 se calcula w:





  1. Para calcular Da se utiliza la ecuación 2.2





  1. Cálculo de porosidad (ecuación 2.6)





  1. Para calcular el contenido volumétrico de humedad se utiliza la ecuación 2.14





  1. Para expresar el contenido de humedad en lámina de agua, se multiplica el contenido volumétrico de humedad por la profundidad considerada.





  1. De acuerdo con el triángulo de texturas el suelo se clasifica como franco.


Anexo 2
Con los valores obtenidos en campo y que se observan en la siguiente tabla de datos, calcular:

  1. La ecuación de infiltración utilizando el modelo de Kostiakov-Lewis

  2. La curva de velocidad de infiltración de campo y calculada

  3. La curva de infiltración acumulada de campo y calculada




Tiempo

I

Log T

Log I

X2

Y2

XY

min

cm/hr

 

 

 

 

 

13.50

12.58

1.1303

1.0997

1.2777

1.2093

1.2430

15.50

10.65

1.1903

1.0273

1.4169

1.0554

1.2229

17.50

8.54

1.2430

0.9315

1.5451

0.8676

1.1578

19.50

6.89

1.2900

0.8382

1.6642

0.7026

1.0813

21.50

5.48

1.3324

0.7388

1.7754

0.5458

0.9844

23.50

5.68

1.3711

0.7543

1.8798

0.5690

1.0343

25.50

6.24

1.4065

0.7952

1.9784

0.6323

1.1185

27.50

5.87

1.4393

0.7686

2.0717

0.5908

1.1063

30.50

6.45

1.4843

0.8096

2.2031

0.6554

1.2016

32.50

5.87

1.5119

0.7686

2.2858

0.5908

1.1621

34.50

5.98

1.5378

0.7767

2.3649

0.6033

1.1944

36.50

4.87

1.5623

0.6875

2.4408

0.4727

1.0741

38.50

4.59

1.5855

0.6618

2.5137

0.4380

1.0493

40.50

4.58

1.6075

0.6609

2.5839

0.4367

1.0623

42.50

4.65

1.6284

0.6675

2.6517

0.4455

1.0869

44.50

4.78

1.6484

0.6794

2.7171

0.4616

1.1199

46.50

3.54

1.6675

0.5490

2.7804

0.3014

0.9154

48.50

3.87

1.6857

0.5877

2.8417

0.3454

0.9907

50.50

3.56

1.7033

0.5514

2.9012

0.3041

0.9393

52.50

3.46

1.7202

0.5391

2.9589

0.2906

0.9273

54.50

3.35

1.7364

0.5250

3.0151

0.2757

0.9117

56.50

3.10

1.7520

0.4914

3.0697

0.2414

0.8609

58.50

2.54

1.7672

0.4048

3.1228

0.1639

0.7154

60.50

2.65

1.7818

0.4232

3.1747

0.1791

0.7541

62.50

2.50

1.7959

0.3979

3.2252

0.1584

0.7147

64.50

2.65

1.8096

0.4232

3.2745

0.1791

0.7659

66.50

2.40

1.8228

0.3802

3.3227

0.1446

0.6931

68.50

2.30

1.8357

0.3617

3.3698

0.1308

0.6640

70.50

2.10

1.8482

0.3222

3.4158

0.1038

0.5955

72.50

2.09

1.8603

0.3201

3.4609

0.1025

0.5956

74.50

2.10

1.8722

0.3222

3.5050

0.1038

0.6032

76.50

2.10

1.8837

0.3222

3.5482

0.1038

0.6070

78.50

2.10

1.8949

0.3222

3.5905

0.1038

0.6106

80.50

2.09

1.9058

0.3201

3.6321

0.1025

0.6101

82.50

2.08

1.9165

0.3181

3.6728

0.1012

0.6096

84.50

2.08

1.9269

0.3181

3.7128

0.1012

0.6129

86.50

2.08

1.9370

0.3181

3.7520

0.1012

0.6161

88.50

2.08

1.9469

0.3181

3.7906

0.1012

0.6193

90.50

2.07

1.9566

0.3160

3.8285

0.0998

0.6182

100.50

2.07

2.0022

0.3160

4.0087

0.0998

0.6326

105.50

2.07

2.0233

0.3160

4.0936

0.0998

0.6393

 

SUMA

69.0214

22.4498

118.4380

14.3159

35.7215

1   2   3   4

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