Infiltración: Índices y Medición de la Infiltración (Con Diagrama)
Lee este artículo para aprender sobre los índices y la medición de la infiltración.
Índices de infiltración:
Varios índices de infiltración dan tasas de infiltración de diferentes maneras para ayudar a evaluar el agua perdida por infiltración.
Los importantes entre ellos son los siguientes:
(i) Capacidad de infiltración:
Es la velocidad máxima a la que el agua puede ingresar a través de la superficie del suelo en un momento determinado en el conjunto de condiciones dado. Ya está claro que la tasa real de infiltración será menor que la capacidad de infiltración a menos que la tasa neta de lluvia que llegue al suelo después de cumplir con la retención (es decir, la intercepción + almacenamiento en depresión) sea igual o mayor que la capacidad de infiltración. La capacidad de infiltración continúa reduciéndose a medida que el perfil del suelo se satura. Al igual que la infiltración, la capacidad de infiltración también depende del tipo de suelo, el contenido de humedad, la materia orgánica presente en el suelo, la cubierta vegetal y la estación.
Horton dio la siguiente expresión matemática para averiguar el valor de la capacidad de infiltración en cualquier momento:
f p = f c + (f o - f c ) e- Kt
Donde f p es la capacidad de infiltración.
F o es la tasa de infiltración al comienzo de la tormenta.
f c es la tasa de infiltración constante que se logra después de que el perfil del suelo se satura.
e es base de logaritmos naturales (base napieriana).
Es el tiempo desde el comienzo de la lluvia y K es una constante. Puede recordarse que esta ecuación se puede aplicar solo cuando la tasa de lluvia neta que llega a la superficie es mayor que la capacidad de infiltración durante la tormenta.
(ii) ф Índice:
El índice ф es la porción de la tasa promedio de lluvia durante cualquier tormenta que se pierde por los procesos de intercepción, almacenamiento de depresión e infiltración en conjunto. Por lo tanto, puede definirse como la tasa de precipitación promedio durante cualquier tormenta a partir de la cual el volumen de lluvia restante es igual al volumen de escorrentía superficial directa. El índice se puede calcular a partir de una histografía (gráfico de tiempo frente a intensidad de lluvia) de la tormenta de tal manera que el volumen de lluvia en exceso de esta tasa sea igual al volumen de la escorrentía de la tormenta. Fig. 3.2.
Si la intensidad de la lluvia a lo largo de la tormenta permanece igual o mayor que el índice ф, entonces el índice ф representa la recarga de la cuenca porque el índice ф representa la suma total de la infiltración, la intercepción y el almacenamiento de la depresión.
(iii) Índice W:
Este índice proporciona la tasa promedio de infiltración durante ese período de tiempo de la tormenta durante la cual la intensidad de la lluvia es mayor que W. Por lo tanto, se puede decir que se trata de un refinamiento sobre un índice que, aparte de la infiltración, también incluye la intercepción y el almacenamiento de la depresión.
El índice W se puede obtener de la siguiente ecuación:
W = PQS / t
Dónde
W es la tasa promedio de infiltración.
P es la tormenta total de lluvia correspondiente a t
Q es la escorrentía total de la tormenta.
t es el tiempo durante el cual la intensidad de lluvia es mayor que W y
S es la retención efectiva de la superficie.
W = ф tasa promedio de retención
Donde la retención incluye intercepción y almacenamiento de depresión.
Para todos los propósitos prácticos, se puede tomar un índice para representar la tasa promedio de infiltración. Dado que ф y los índices asumen una tasa promedio de infiltración que, de hecho, es menor que la tasa de infiltración inicial y más que la tasa de infiltración final, su utilidad se limita a las principales tormentas que producen inundaciones.
Dichas tormentas generalmente ocurren en suelo húmedo y las tormentas son de tal intensidad y duración que la tasa de infiltración podría casi tomarse como constante para una tormenta completa o un período mayoritario de tormenta. Obviamente, para tormentas aisladas cortas, los índices W y W no son útiles.
Problema:
Una cuenca de drenaje tiene un área de captación de 0, 5 km 2 .
Una tormenta de cinco horas ha ocurrido en la cuenca con las siguientes intensidades de lluvia:
El volumen de la escorrentía superficial directa observada como resultado de esta tormenta en la salida de la cuenca fue de 0.232 al día.
Calcular el índice de la cuenca.
Solución:
Paso 1:
Utilizando los datos dados, se puede dibujar un histógrafo de lluvia como se muestra en la Fig. 3.3.
La línea XX muestra la tasa promedio de infiltración y retención de superficie juntas, es decir, un índice ф.
Tenemos que encontrar el valor de ф.
Paso 2:
De la precipitación total dada, la precipitación total en una tormenta de 5 horas es de 60 mm.
Fig. 3.3
Paso 3:
Volumen total de escorrentía superficial directa = 0.232 x 60 x 60 x 24 = 20, 045 m 3 .
Etapa 4:
A partir de la definición de índice, es la porción de la tasa promedio de lluvia por encima del cual el volumen de lluvia restante es igual al volumen de escorrentía.
Volumen de agua perdida = (volumen total de lluvia) - (volumen total de escorrentía), es decir (infiltración + retención)
= 30, 000 - 20, 045 = 9955 m 3
Como profundidad de agua sobre la cuenca = 9955 / (0.5 × 10 6 ) = 0.00398 m = 3.98 mm.
Índice ф = 3, 98 mm.
Medición de la infiltración:
La infiltración se puede medir por dos métodos a saber:
1. Métodos indirectos:
Implican la aplicación artificial de agua sobre un área de muestra. El mecanismo utilizado para este propósito se llama infiltrómetro. Hay dos tipos de infiltrómetro, a saber, tipo de inundación y simuladores de lluvia.
(a) Infiltrómetro tipo inundación:
Se compone de unos 25 cm de diámetro, de 50 a 65 cm de largo. El cilindro se hunde en el suelo a una profundidad de 40 a 50 cm. El agua se aplica luego a través de buretas graduadas para mantener una cabeza de agua constante. Las lecturas en la bureta en un intervalo de tiempo fijo dan la velocidad y la cantidad de agua infiltrada en el suelo. Para eliminar el efecto del suelo seco circundante en el infiltrómetro, a veces dos anillos concéntricos, uno del mismo tamaño y otro de mayor diámetro, digamos 35 cm, se hunden en el suelo.
Sin embargo, estos anillos se hunden hasta la profundidad mínima necesaria para evitar fugas de los anillos. El espacio entre ambos anillos se llena hasta el mismo nivel y se mantiene a nivel constante mediante dos buretas diferentes. La lectura de la bureta que alimenta el anillo interior da la velocidad y la cantidad de infiltración. Este método ahora es reemplazado por el simulador de lluvia.
(b) simulador de lluvia:
En este método, se montan rociadores especiales en ambos lados de una parcela experimental de 2 m X 4 m. La boquilla de estos rociadores dirige el rociado de agua de forma inclinada para cubrir la parcela completamente y alcanzar una altura de aproximadamente 2 m sobre el suelo. Esta disposición garantiza la aplicación de agua en forma de lluvia probable.
Las intensidades de la lluvia simulada se pueden cambiar cerrando y abriendo las boquillas. El infiltrómetro comienza a funcionar con lo que se denomina una ejecución de calibración de lluvia. Para esta corrida, se coloca un plástico o una lámina de metal sobre la parcela de manera que toda el agua que llega al suelo se pueda medir sin pérdida de agua. Esto da la tasa promedio de precipitación.
Después de esto comienza la ejecución de prueba. Se permite que esta ejecución continúe hasta que la segunda vuelta se vuelva constante. La diferencia entre la tasa de precipitación simulada y la tasa de escorrentía medida da el valor de fc (fc es la tasa de infiltración constante que se ha establecido después de que el suelo está saturado). Para eliminar el efecto de borde, una franja de alrededor de 0, 5 m de ancho en toda la parcela también se rocía con agua por separado.
Este método adolece de los siguientes inconvenientes:
(i) Es difícil simular el tamaño de las gotas de lluvia.
(ii) La velocidad de caída alcanzada por las gotas de agua no representa las condiciones de lluvia correctas.
(iii) El valor del experimento de la tasa de infiltración tiende a ser más alto que el alcanzado en condiciones naturales.
(iv) Los valores del infiltrómetro se pueden usar para calcular la escorrentía de una cuenca pequeña solo por el área limitada en la que se ha calculado la tasa de infiltración.
2. Método directo:
Consiste en el análisis del hidrograma de escorrentía resultante de una lluvia natural sobre una cuenca en consideración.
Medición de la infiltración por análisis hidrográfico:
El análisis teórico del hidrograma de escorrentía tiene la ventaja de que toma en consideración el patrón de lluvia, la longitud del flujo terrestre, la pendiente de la cuenca, el tipo de suelo, la cubierta vegetal, el almacenamiento de la depresión, la detención de la superficie, ya que tienden a ocurrir en la actualidad.
Sin embargo, en general, no se conoce en detalle la distribución de las precipitaciones en las cuencas hidrográficas para justificar métodos teóricos laboriosos de análisis de hidrogramas. Para una aplicación práctica, es conveniente separar las lluvias de cada tormenta en una serie de bloques y considerar el hidrograma de escorrentía de forma independiente mediante la transposición de curvas de recesión o el cálculo de la tasa de infiltración promedio.
El análisis que puede realizarse consiste en los siguientes pasos (consulte la Fig. 3.4):
yo. Dibuje el hyetograph de la lluvia y el hidrograma de la escorrentía en la misma parcela para la tormenta en la cuenca.
ii. Separa cada lluvia de la tormenta.
iii. Separe cada hidrograma de escorrentía de uno posterior mediante la transposición de curvas de recesión.
iv. Deducir el flujo base del flujo total.
v. Obtener escorrentía de tormenta por cada aumento.
vi. Seleccione las duraciones del exceso de precipitación (T e ) mediante inspección de histografía e hidrograma.
vii Grafique las curvas de masa de la lluvia y obtenga valores de lluvia acumulados (Pw 1, Pw 2, Pw 3, etc.).
viii. Grafique las curvas de masa de la escorrentía directa de la tormenta y obtenga valores de escorrentía acumulativos (Qs 1, Qs 2, Qs 3, etc.).
ix Calcule la diferencia de lluvia acumulada y escorrentía acumulada (P w - Q s ) que da una infiltración total F.
X. Divida la infiltración total por la duración del exceso de lluvia (Te) para obtener la tasa de infiltración promedio para esa lluvia o bloque de la tormenta.
Idoneidad del método de medición de infiltración:
Los diversos métodos de medición de la infiltración directa e indirecta no se pueden usar en todos los tamaños de cuencas con la suficiente precisión para evaluar la escorrentía resultante.
Los métodos comúnmente adoptados en varios tamaños de cuencas son los siguientes:
(i) Pequeñas cuencas:
En los valores de infiltrómetros de cuencas hidrográficas pequeñas y el método de análisis del hidrograma de tormentas se obtienen resultados satisfactorios.
(ii) Grandes cuencas:
En el caso de grandes cuencas hidrográficas, se considera conveniente desarrollar curvas de tasa de infiltración estándar mediante el estudio del número de tormentas en una cuenca representativa típica teniendo en cuenta los diferentes usos de la tierra. Otro método de importancia práctica en ambos casos es la adopción de un índice que proporciona una tasa promedio durante toda la tormenta. Es muy adecuado para estimar el pico de escorrentía de una gran tormenta en suelos húmedos.
