Fundamentos de la Infiltración del Agua en el Suelo: Modelos Hidrológicos y Medición

1. Noción Fundamental de la Infiltración Hídrica

Proceso por el cual el agua entra al suelo desde la superficie por efecto gravitacional y capilar.

La infiltración determina la distribución de la precipitación:

• Se infiltra en el perfil del suelo.
• Se convierte en escorrentía superficial.
• Alimenta los acuíferos subterráneos.

Definiciones Clave de la Tasa de Infiltración

Tasa de infiltración i(t)

Depende del estado del suelo y cambia en el tiempo.

Infiltración potencial (i₀)

• Tasa máxima al inicio, cuando el suelo está seco y la succión capilar es alta.

Infiltración máxima (i_máx o i_f)

• Ocurre cuando hay encharcamiento y la superficie se satura.
• Controlada principalmente por la gravedad.
• La tasa se aproxima a un valor constante (i ≈ constante).

2. Patrones de Humedad en el Perfil del Suelo

Los patrones de distribución de humedad posibles son:

1. Humedad casi uniforme.
2. Humedad que decrece con la profundidad.
3. Cambio grande de humedad con la profundidad (frente húmedo).

3. Factores Determinantes que Afectan la Infiltración

• Textura del suelo (la arena infiltra más rápido; la arcilla, menos).
• Humedad inicial (un suelo seco permite una mayor infiltración inicial).
• Humedad a saturación (porosidad total).
• Cobertura vegetal (aumenta la infiltración y reduce la compactación superficial).
• Uso del suelo (agricultura, urbanización, bosque).
• Propiedades físicas: Porosidad, estructura y compactación.
• Pendiente del terreno (mayor pendiente → más escorrentía, menos infiltración).
• Caudal de alimentación (intensidad de la lluvia o tasa de riego).
• Compactación causada por pisoteo, maquinaria o el impacto directo de la lluvia.

4. Modelos Matemáticos de Infiltración

A. Modelos Empíricos

Modelo de Horton

Ecuación que describe la disminución de la tasa de infiltración con el tiempo, utilizando tres parámetros:

• i₀: Capacidad de infiltración inicial.
• i_f: Capacidad de infiltración final (o máxima).
• γ: Coeficiente de decaimiento exponencial.

Comportamiento: Disminución exponencial desde i₀ hasta i_f.

Limitación: Dificultad para estimar los parámetros de manera precisa en campo.

B. Modelo de Richards (1931)

Ecuación general del flujo no saturado, base física de la hidrología de suelos:

• Depende de la difusividad D(θ) y la conductividad hidráulica K(θ), ambas funciones del contenido volumétrico de agua (θ).
• Existen soluciones en 1D, 2D y 3D.
• Limitación: La curva θ(h) y K(h) son altamente no lineales, lo que implica un alto costo computacional para su solución.

C. Modelo de Philip (1957, 1969)

Solución aproximada de la Ecuación de Richards, válida para tiempos cortos y medios.

Ecuación de Infiltración Acumulada:

I(t) = S·t^0.5 + K·t

Donde:

• S = Sortividad (mide la capacidad del suelo para absorber agua por capilaridad).
• K = Conductividad hidráulica saturada (o cercana a la saturación).

Interpretación Física:

• El primer término (S·t^0.5) representa el control capilar, dominante al inicio del proceso.
• El segundo término (K·t) representa el control gravitacional, dominante en etapas posteriores.

D. Modelo de Green–Ampt (1911)

Modelo físico conceptual que ofrece una solución exacta bajo supuestos simplificados.

Supuestos Fundamentales:

• Suelo homogéneo.
• Perfil con humedad inicial θ_i constante.
• Zona arriba del frente húmedo con humedad de saturación θ_s.
• Frente húmedo bien definido (tipo pistón).
• Carga de presión en el frente húmedo igual a h_f (constante).

Ecuaciones Basadas en la Ley de Darcy:

La tasa de infiltración (i) se calcula como:

i = K_s · ((h_f + L_f) / L_f)

Donde L_f es la profundidad del frente húmedo y K_s es la conductividad hidráulica saturada.

Conservación de Masa:

La infiltración acumulada (I) está dada por:

I = Δθ · L_f

Donde Δθ = θ_s - θ_i.

Nota: El modelo requiere un proceso de iteración para resolver L_f y i en función del tiempo.

5. Medición de la Tasa de Infiltración en Campo y Laboratorio

Métodos Principales:

1. Infiltrómetro de Anillos (Simple o Doble)

• Se clavan anillos concéntricos en el suelo para delimitar el área de flujo.
• El nivel de agua se mantiene constante.
• Se mide la caída del nivel de agua en el tiempo para determinar la tasa de infiltración.
• El régimen permanente alcanzado al final de la prueba es una estimación de K_s (conductividad hidráulica en saturación).

2. Permeámetro / Infiltrómetro a Presión Positiva

• Utiliza presión positiva para forzar el contacto directo del agua con el suelo.
• Comúnmente usado para medir la conductividad hidráulica saturada.

3. Infiltrómetro de Succión

• Aplica presión negativa (succión) mediante una placa porosa.
• Permite medir la conductividad hidráulica en condiciones no saturadas.

6. Macroporos y Escorrentía Preferencial

Origen de los Macroporos:

• Actividad biológica (túneles de lombrices y otra fauna).
• Raíces de plantas (vivas o muertas).
• Fisuras generadas por la contracción de arcillas al secarse.
• Procesos químicos de disolución.

Impacto Hidrológico:

• El agua viaja rápidamente a través de los macroporos, generando escorrentía preferencial.
• Este flujo no sigue el perfil uniforme asumido por la mayoría de los modelos clásicos.
• La presencia de macroporos complica significativamente la medición y modelización precisa de la infiltración.

7. Puntos Clave para la Evaluación (Examen)

Conceptos esenciales a dominar:

• Definiciones fundamentales: infiltración, i(t), i₀, i_f, i_máx.
• Diferencia y predominio entre las fuerzas capilares (inicio) y gravitacionales (final).
• Factores físicos y biológicos que afectan la tasa de infiltración.
• Modelos de infiltración y sus características:
  • Horton: Modelo empírico de decaimiento exponencial.
  • Richards: Modelo físico general, complejo y no lineal.
  • Philip: Solución aproximada basada en Sortividad (S) y Conductividad (K).
  • Green–Ampt: Modelo físico basado en la Ley de Darcy y el concepto de frente húmedo.
• Métodos de medición: Tipos de infiltrómetros.
• Problemas asociados: El efecto de los macroporos y la escorrentía preferencial.