COLABORADORES

Por qué _Kfs es un dolor

La conductividad hidráulica saturada, o capacidad del suelo para absorber agua, ha sido tradicionalmente una medición compleja para los científicos. Las mediciones inexactas de la conductividad hidráulica saturada (_Kfs) sobre el terreno son frecuentes debido a errores en la estimación alfa específica del suelo y a una amortiguación inadecuada del flujo tridimensional. El flujo tridimensional significa que el agua se infiltra en el suelo en tres dimensiones; se propaga lateralmente, así como hacia abajo. El problema es que el valor que representa la conductividad hidráulica saturada, _Kfs, es un valor unidimensional. Los investigadores utilizan _Kfs en la modelización como base de su toma de decisiones, pero para obtener ese valor, primero deben eliminar los efectos del flujo tridimensional.

Estimación: una propuesta arriesgada

El método tradicional para eliminar los efectos del flujo tridimensional consiste en consultar una tabla de valores alfa o la longitud capilar macroscópica del suelo. Pero como alfa es sólo una estimación del efecto de sorptividad, o de cuánto va a arrastrar el suelo el agua lateralmente, el riesgo de inexactitud es alto. Y si un investigador o ingeniero elige un valor alfa incorrecto, su estimación podría ser muy errónea.

Para evitar este problema, los investigadores miden a veces el _Kfs con un infiltrómetro de doble anillo (figura 2), un método sencillo en el que el anillo exterior tiene por objeto limitar la propagación lateral del agua tras la infiltración y amortiguar el flujo tridimensional. Sin embargo, un infiltrómetro de doble anillo no amortigua perfectamente el flujo tridimensional (Swartzendruber D. y T.C. Olson 1961a). Por lo tanto, si los investigadores parten del supuesto de que están obteniendo un flujo unidimensional en el anillo central, pueden sobrestimar sus valores de conductividad saturada en el campo. Esto puede ser desastroso, particularmente cuando se trabaja con un suelo que ha sido diseñado para tener una permeabilidad muy baja. Si se sobrestima _Kfs, un investigador o ingeniero podría suponer erróneamente que la cubierta de un vertedero (por ejemplo) es ineficaz (_Ks es superior a ^10-5 cm ^s-1), cuando en realidad ha sobrestimado _Kfs y la cubierta es realmente conforme.

_Kfs-solved

El sitio SATURO elimina el problema de la estimación/suposición automatizando el método bien establecido de la doble cabeza . Pone agua sobre el suelo y utiliza la presión del aire para crear dos alturas de presión diferentes. La medición de la infiltración en estas dos cabezas de presión diferentes evita la necesidad de estimar el factor alfa, lo que permite a los investigadores determinar la conductividad hidráulica saturada en el campo sin hacer ninguna suposición. Además, el SATURO utiliza mucha menos agua porque no requiere un anillo exterior grande como un infiltrómetro de doble anillo. Este enfoque automatizado ahorra tiempo y reduce los errores en la evaluación de la conductividad hidráulica. En la siguiente sección teórica se explica detalladamente por qué esto es posible.

Vea cómo se comparan las lecturas de SATURO con las del infiltrómetro de doble anillo

En el vídeo que aparece a continuación, el Dr. Gaylon S. Campbell enseña los fundamentos de la hidrología y la ciencia que se esconde tras el infiltrómetro automatizado de doble cabezal SATURO . En este seminario web de 30 minutos aprender:

• ¿Qué es la conductividad hidráulica?
• Medios porosos
• Qué determina la conductividad hidráulica
• Por qué debe preocuparle la conductividad hidráulica
• ¿Cómo se mide la conductividad hidráulica?
• Instrumentos de laboratorio
• Instrumentos de campo
• El método detrás de SATURO: infiltrómetro de doble cabezal
• Comparación: Métodos de doble anillo y de doble cabezal SATURO

SATURO: Por qué es más preciso

Conductividad hidráulica saturada en campo, K_fs (cm/s) es una propiedad hidráulica fundamental del suelo que describe la facilidad con la que un fluido (normalmente agua) puede moverse a través de los espacios porosos o fracturas en condiciones de saturación de campo. Uno de los métodos más antiguos y sencillos para la determinación in situ de K_fs consiste en medir la infiltración encharcada(D) desde el interior de un único anillo (de radio b) introducido una pequeña distancia en el suelo(d) (Figura 1). El análisis original utilizaba el caudal constante medido, Qs (cm3/s) y suponía un flujo vertical unidimensional para obtener K_fs de Bouwer (1986) y Daniel (1989).

Este enfoque sobrestimó K_fs debido a la divergencia lateral del flujo resultante de la capilaridad del suelo no saturado y del encharcamiento en el anillo (Bouwer 1986). Los intentos de eliminar la divergencia del flujo incluían la adición de un anillo exterior para amortiguar el flujo en el anillo interior (Figura 2). Sin embargo, la técnica del infiltrómetro de doble anillo resultó ineficaz para impedir el flujo lateral desde el anillo interior (Swartzendruber y Olson 1961a, 1961b).

Investigaciones más recientes proporcionan nuevos métodos para corregir el flujo lateral. Reynolds y Elrick (1990) presentaron un nuevo método de análisis de la infiltración estancada constante en un solo anillo, que tiene en cuenta la capilaridad del suelo, la profundidad del estancamiento, el radio del anillo(b) y la profundidad de inserción del anillo(d) y proporciona un medio para calcular K_fsel flujo mátrico(φm) y la longitud capilar macroscópica(∝). Este análisis se conoce como el enfoque de la cabeza de dos estanques (Reynolds y Elrick 1990).

El enfoque de la cabeza de dos estanques es la técnica utilizada por SATURO, aunque con algunas modificaciones y simplificaciones. La ecuación más sencilla para este cálculo es la de Nimmo et al. (2009). Calculan K_fs como se muestra en la ecuación 1.

donde i ( cm/s) es la tasa de infiltración constante (final) (volumen dividido por área) y F es una función que corrige la sortividad y los efectos geométricos.

Nimmo et al. (2009) da F como se muestra en la ecuación 2

donde

• D es la profundidad del estanque (cm)
• d es la profundidad de inserción del infiltrómetro (cm)
• b es el radio del infiltrómetro (cm)
• ∆ es la constante para una geometría de infiltrómetro dada; C₁d + C₂b (cm)
• C₁ es 0,993
• C₂ es 0,578
• λ es el recíproco del Gardner ∝, que es una característica del suelo y de su contenido inicial de agua (cm)

En la Ecuación 2, ∆ es simplemente la Ecuación 36 de Reynolds y Elrick (1990) multiplicada por bπ, lo que permite conciliar la Figura 2 y la Ecuación 2 con la Ecuación 37 de Reynolds y Elrick (1990).

Para dos profundidades de estanqueidad, utilice la ecuación 3:

Reordenando uno de los términos correctos para resolver λ en términos de K_fssustituyendo λ por λ en el otro término de la derecha y simplificando, se obtiene

donde

• D₁ es la altura real de alta presión
• D₂ es la altura real de baja presión
• ∆ es 0,993d + 0,578b (cm)
• i₁ es la tasa de infiltración en la cabeza de alta presión
• i₂ es la tasa de infiltración en la cabeza de baja presión

Para ∆, d es la profundidad de inserción del infiltrómetro y b es el radio del infiltrómetro. Para el anillo de inserción de SATURO, 5 cm, d = 5 cm y b = 7,5 cm, por lo que ∆ = 9,3 cm. Para el anillo de inserción de 10 cm, d = 10 cm y b = 7,5 cm, por lo que ∆ = 14,3 cm.

A continuación, la conductividad hidráulica se multiplica por la diferencia en la tasa de infiltración en estado cuasi estacionario para el último ciclo de presión y se divide por la diferencia en la altura de presión medida desde el último ciclo de presión.

La ecuación 4 es equivalente a la ecuación 41 de Reynolds y Elrick (1990) y elimina la dependencia de las características del suelo y del contenido inicial de agua descrito por λ.

Ahorre horas de tedioso trabajo manual

El SATURO combina automatización y análisis simplificado de datos en un solo sistema. Incluso calcula sobre la marcha los índices de infiltración y la conductividad hidráulica saturada en el campo. El SATURO hace la vida un poco más fácil para aquellos que necesitan una forma más rápida y precisa de medir _Kfs en el campo.

¿Preguntas?

Nuestros científicos cuentan con décadas de experiencia ayudando a investigadores y cultivadores a medir el continuo suelo-planta-atmósfera.

• Hable con un experto
• Solicitar un cotización

Referencias

1. Bouwer H. 1986. Tasa de aspiración: Cilindro infiltrómetro. En Klute A., editor, Methods of soil analysis: Parte 1-Métodos físicos y mineralógicos. 2nd ed. Madison (WI): ASA y SSSA. 825-844.(Enlace del artículo)
2. Dane JH y Topp GC, editores. 2002. Métodos de análisis de suelos: Parte 4-Métodos físicos. Madison (WI): Soil Science Society of America Inc.(enlace).
3. Daniel DE. 1989. Ensayos de conductividad hidráulica in situ para arcilla compactada. J. Geotech. Eng. 115(9).(Enlace del artículo)
4. Nimmo JR, Schmidt KM, Perkins KS y Stock JD. 2009. Medición rápida de la conductividad hidráulica saturada de campo para la caracterización areal. Vadose Zone J. 8(1): 142-149.(Enlace al artículo)
5. Reynolds WD y Elrick DE. 1990. Infiltración en estanque desde un anillo único: I. Analysis of steady flow. Soil Sci. Soc. Am. J. 54(5): 1233-1241.(Enlace al artículo)
6. Swartzendruber D y Olson TC. 1961. Sand-model study of buffer effects in the double-ring infiltrometer. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 25(1): 5-8.(Enlace del artículo)
7. Swartzendruber D y Olson TC. 1961. Model study of the double ring infiltrometer as affected by depth of wetting and particle size. Soil Sci. 92(4): 219-225.(Enlace al artículo)

Asista a nuestra clase magistral sobre la humedad del suelo

Seis breves vídeos le enseñarán todo lo que necesita saber sobre el contenido de agua del suelo y el potencial hídrico del suelo, y por qué debe medirlos juntos. Además, domine los conceptos básicos de la conductividad hidráulica del suelo.

Véalo ahora