La conductividad hidráulica del suelo, o capacidad de un suelo para transmitir el agua, influye en casi todas las aplicaciones del suelo. Es fundamental para comprender el balance hídrico completo y también se utiliza para estimar la recarga de aguas subterráneas a través de la zona vadosa. Los hidrólogos necesitan valores de conductividad hidráulica para elaborar modelos, y los investigadores la utilizan para determinar la salud del suelo o para predecir cómo fluirá el agua a través del suelo en diferentes emplazamientos de campo. Las decisiones agrícolas se basan en la conductividad hidráulica para determinar las tasas de riego o predecir la erosión o la lixiviación de nutrientes. Y se utiliza para determinar la eficacia de la cubierta de los vertederos. Los ingenieros geotécnicos la necesitan para diseñar estanques de retención, lechos de carreteras, jardines de lluvia o cualquier sistema diseñado para captar la escorrentía. También se utiliza para conocer el agua disponible para las plantas en sustratos sin suelo. Básicamente, si quiere predecir cómo se moverá el agua dentro de su sistema de suelo, necesita conocer la conductividad hidráulica porque rige el flujo del agua. ¿Cómo se mide? Este artículo explica cómo medir la conductividad hidráulica, qué es y las ventajas e inconvenientes de los métodos más comunes.
¿Qué es la conductividad hidráulica del suelo?
En términos científicos, la conductividad hidráulica se define como la capacidad de un medio poroso(el suelo, por ejemplo) para transmitir agua en condiciones de saturación o casi saturación. La ecuación 1 ilustra lo que esto significa. Si i indica el flujo de agua (la cantidad de agua por unidad de superficie por unidad de tiempo), es igual a K (conductividad hidráulica) multiplicado por el gradiente de altura dh/dz. El gradiente de altura (o gradiente de potencial hídrico) es la fuerza que hace que el agua se mueva en el suelo. K es el factor de proporcionalidad entre esa fuerza motriz y el flujo de agua en el suelo.
Ecuación 1
La altura(potencial hídrico) puede descomponerse en sus dos componentes principales. hm es la altura mátrica (potencial mátrico) y hg es la altura gravitatoria (potencial gravitatorio). En otras palabras, existen fuerzas mátricas que hacen que el agua se mueva a través del suelo y también fuerzas gravitacionales.
Ecuación 2
El gradiente gravitatorio dhg/dz es igual a 1. Inicialmente, cuando se aplica agua al suelo, las fuerzas mátricas atraen el agua hacia el suelo rápidamente (véase la figura 2). Pero si la infiltración se produce durante un tiempo prolongado hasta que el suelo está muy húmedo, esa cabeza mátrica se convierte en 0.
Ecuación 3
Así, en tiempos prolongados, la velocidad de infiltración es aproximadamente igual a la conductividad hidráulica. Esto da una idea de lo que significa la conductividad hidráulica del suelo. Si se aplica agua durante mucho tiempo, la velocidad a la que el agua se infiltraría en el suelo sería aproximadamente igual a la conductividad hidráulica.
Factores que influyen en la conductividad hidráulica
La conductividad hidráulica depende de factores como la textura del suelo, la distribución granulométrica, la rugosidad, la tortuosidad, la forma y el grado de interconexión de los poros conductores de agua. Si sólo tuviéramos en cuenta la textura del suelo, los suelos de textura gruesa tendrían normalmente conductividades hidráulicas más altas que los suelos de textura fina. Sin embargo, la estructura del suelo y de los poros puede tener un impacto significativo en la capacidad de un suelo para transmitir agua.
Un suelo estructurado suele contener poros grandes, mientras que los suelos sin estructura tienen poros más pequeños. La figura 1 (abajo) ilustra la diferencia entre un suelo arcilloso bien estructurado y un suelo arcilloso mal estructurado y la importancia de la estructura para la conductividad hidráulica, especialmente en saturación o cerca de ella.
Los bioporos, los canales de raíces o las madrigueras de animales aumentan la conductividad hidráulica saturada si contienen agua. Si no se llenan de agua porque no llegan a la superficie, pueden disminuir la conductividad. La compactación o la densidad del suelo es otro factor que influye, así como el contenido de agua o el potencial hídrico del suelo.
Curvas de conductividad hidráulica: importantes herramientas de predicción
El suelo está saturado o no saturado, por lo que la conductividad hidráulica del suelo se denomina conductividad hidráulica saturada (Ks/Kfs) o conductividad hidráulica no saturada (K(Ψ)). Los investigadores utilizan instrumentos de laboratorio (KSAT y HYPROP) para crear curvas de conductividad hidráulica que grafiquen los valores de conductividad de un suelo concreto en diferentes niveles de saturación/insaturación. Estas curvas predicen el flujo de agua en varios tipos de suelo a diferentes potenciales hídricos.
Figura 1. Curvas de conductividad hidráulica Curvas de conductividad hidráulica de tres suelos diferentes. Los valores a la derecha del eje vertical indican valores de conductividad saturados. Los valores de la izquierda indican valores no saturados. Obsérvese que el eje vertical es un eje logarítmico. Por lo tanto, las diferencias son del orden de magnitud (factores de 10, no factores de 1 ó 2).
La figura 1 muestra las curvas de conductividad hidráulica de tres suelos diferentes. El eje vertical se sitúa en la altura 0(potencial hídrico). Los valores de la derecha indican valores de conductividad saturada. Los valores de la izquierda indican valores no saturados. El suelo arcilloso mal estructurado (línea inferior) tiene una conductividad saturada muy inferior a la del suelo arenoso. Esto se debe a que el suelo arcilloso está formado por poros pequeños y las vías de flujo están más restringidas. Pero, si ese suelo arcilloso (línea de puntos) tuviera una buena estructura (es decir, contuviera agregados con grandes poros entre esos agregados que crearan mejores vías de flujo) entonces su conductividad hidráulica saturada podría ser mayor que la conductividad de la arena.
En el lado izquierdo de la figura 1, donde la altura (potencial hídrico) es negativa, el suelo empieza a desaturarse y los poros se vacían. A medida que los poros (especialmente los grandes) se vacían, la conductividad hidráulica disminuye drásticamente. Así pues, la conductividad no saturada es siempre menor y, en la mayoría de los casos, varios órdenes de magnitud menor que cuando el suelo está saturado.
Observe que la conductividad hidráulica no saturada para el suelo arcilloso mal estructurado y el suelo arcilloso bien estructurado acaban por coincidir. Esto se debe a que en cierto punto los macroporos dejan de contribuir al flujo, y entonces el flujo se produce sólo en los mesoporos entre las partículas del suelo. Obsérvese también que la curva de conductividad hidráulica no saturada para el suelo arenoso sin estructura comienza siendo superior a la del suelo arcilloso, pero a medida que el suelo se seca, la conductividad hidráulica no saturada se vuelve inferior a la de los suelos arcillosos.
La saturación del campo no es saturación
La conductividad hidráulica saturada (Ks) no es la misma que la conductividad hidráulica saturada en el campo (Kfs). Esto se debe a que, cuando se mide la conductividad hidráulica saturada en el laboratorio, los testigos del suelo pueden saturarse completamente. Sin embargo, en el campo, es difícil llevar el suelo a la saturación completa. ¿Por qué? Normalmente, cuando se infiltra desde arriba, no hay lugar para que el aire escape, por lo que el suelo acaba con aire atrapado (Figura 2).
Figura 2. A medida que el suelo absorbe agua, crea una película de agua que se adhiere a las partículas del suelo. También hay espacios porosos llenos de aire. En condiciones de campo, es difícil eliminar estos espacios de aire. Este atrapamiento de aire es la razón por la que el porcentaje de saturación rara vez será igual al máximo teórico de saturación para cualquier tipo de suelo.
Esto da lugar a una situación no completamente saturada, por lo que se denomina conductividad hidráulica saturada de campo (Kfs). Kfs suele ser inferior a Ks debido a que el aire atrapado ralentiza el movimiento del agua.
Cómo medir la conductividad hidráulica
Los investigadores miden la conductividad hidráulica del suelo saturado y no saturado mediante numerosas técnicas de laboratorio y de campo. Este artículo explora algunos de los métodos más comunes.
TÉCNICAS DE LABORATORIO: CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA SATURADA
Células de flujo (Ks): Cómo funcionan
Las mediciones con celdas de flujo suelen realizarse en testigos de suelo que se llevan al laboratorio. Miden muestras de suelo inalteradas o alteradas, pero el tamaño de la muestra depende del diseño de la celda de flujo. Pueden utilizar la técnica de medición de la altura constante o de la altura descendente.
Figura 3. Diagrama de la celda de flujo
La figura 3 muestra el funcionamiento de una celda de flujo típica (existen otros diseños). El núcleo de suelo se satura antes de introducirlo en la célula de flujo. El agua procedente de una fuente atraviesa la parte superior del núcleo de suelo y se mide el caudal en estado estacionario. Este valor se utiliza para determinar la velocidad de infiltración. Para pasar de i (la velocidad de infiltración) a a Ks (representativo de una influencia de la altura de presión 0).
Ventajas e inconvenientes de la célula de flujo
Tabla 1. Ventajas e inconvenientes de la celda de flujo
Ventajas
Desventajas
Cálculos sencillos
Los suelos expansivos están confinados
Sin correcciones para el flujo tridimensional
Los valores pueden diferir de los métodos de campo
Separar horizontes diferentes
Requiere equipos adicionales para automatizar
Se pueden medir varias muestras simultáneamente
Espacio de laboratorio dedicado
Configuración relativamente sencilla
Pequeña superficie
Los cálculos de las celdas de flujo son sencillos porque el agua se infiltra a través de un área conocida que elimina el flujo tridimensional (lateral). Otra ventaja es que los horizontes del suelo se pueden separar: se pueden tomar muestras de diferentes capas del suelo para determinar qué horizonte puede ser un factor limitante.
Las celdas de flujo son fáciles de configurar, pero la automatización del dispositivo es más compleja. Requiere un espacio de laboratorio específico debido a los grandes equipos de automatización que deben permanecer instalados. Otra limitación de las celdas de flujo es que cuando se humedece un suelo expansivo, éste se expande en el núcleo confinado del suelo, lo que comprime los poros del suelo y modifica sus propiedades. Esto puede causar una subestimación de la conductividad hidráulica del suelo. Para superar este problema, tome muestras cuando el suelo esté cerca de la saturación.
Uno de los problemas de las celdas de flujo (y de todas las técnicas de laboratorio) es que los valores de laboratorio difieren de los de campo. Un macroporo cerrado en el campo podría abrirse al tomar un testigo del suelo. Dado que el agua fluye más fácilmente a través de un poro abierto, es posible sobrestimar la conductividad hidráulica. Además, un núcleo de suelo pequeño no tiene en cuenta la variabilidad espacial. Por lo tanto, se necesitan más muestras para obtener una representación exacta sobre el terreno.
KSAT (Ks): Cómo funciona
METER KSAT es similar a la célula de flujo, salvo que simplifica y acelera la medición porque la automatización está integrada en el dispositivo.
Vista frontal del instrumento de laboratorio KSAT que mide la conductividad hidráulica saturada
Es capaz de hacer tanto técnicas de caída como de cabeza constante. El KSAT utiliza un pequeño núcleo de suelo, y tiene una columna de agua con una bureta para controlar el flujo de agua (Figura 4).
Figura 4. KSAT sección transversal
El agua fluye a través de la bureta, entra por la parte inferior de la muestra y sale por la parte superior. El KSAT utiliza un sensor de presión que mide automáticamente la cabeza de presión de la columna de agua. Un ordenador toma las lecturas del transductor de presión, y el software automatiza los cálculos y corrige los cambios de viscosidad del agua a diferentes temperaturas. Cuando se utiliza la técnica de la cabeza descendente, el transductor de presión mide el cambio en la columna de agua, y el software calcula el caudal y la conductividad hidráulica de esa muestra.
Al igual que las celdas de flujo, las limitaciones de KSATse deben a su pequeña superficie y a que se trata de una muestra confinada. Por tanto, tenga las mismas consideraciones a la hora de tomar muestras para este dispositivo.
La gran ventaja del KSAT es que todo está automatizado, lo que ahorra tiempo, y no requiere mucho espacio de laboratorio. Además, puede combinarse con el HYPROP para generar automáticamente puntos en la curva de conductividad hidráulica saturada y no saturada. Mira el vídeo para ver cómo.
TÉCNICAS DE CAMPO: CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA SATURADA EN CAMPO
Infiltrómetros de anillo(Kfs)
Las técnicas de campo ofrecen una mejor representación de lo que ocurre realmente sobre el terreno. Un infiltrómetro de anillo es un cilindro abierto de paredes finas que se introduce en el suelo a una profundidad específica (normalmente unos 5 cm) para medir la conductividad hidráulica saturada del campo. El agua se infiltra a través del anillo o anillos utilizando las técnicas de cabeza constante o descendente. Esto se hace manualmente, o el sistema puede automatizarse, lo que permite múltiples mediciones al mismo tiempo. Existen varias disposiciones de cilindros, incluidos los de anillo único y los de anillo doble (o concéntrico).
Infiltrómetro de anillo simple(Kfs)
Un infiltrómetro de anillo simple utiliza un único cilindro de medición (figura 5), y el agua se infiltra a través del cilindro utilizando la técnica de cabeza constante o cabeza descendente. Cuando se realiza la técnica de cabeza constante, se suele utilizar un depósito con un burbujeador mariotte para controlar el caudal y el nivel de agua dentro del anillo. A medida que el agua se infiltra a través del anillo, se moverá tanto horizontal como verticalmente en el suelo, por lo que deben hacerse correcciones para el flujo tridimensional.
Figura 5 Sección transversal del infiltrómetro de anillo simple
Los diámetros de los infiltrómetros de anillo único oscilan entre 10 y 50 cm. Un mayor diámetro del anillo significa que se puede medir más superficie, lo que permite una mejor representación de la variabilidad espacial.
Infiltómetro de doble anillo(Kfs)
Un infiltrómetro de doble anillo (o anillo concéntrico) tiene un cilindro de medición colocado dentro de un cilindro tampón más grande. El cilindro amortiguador tiene por objeto impedir la divergencia del flujo con respecto al cilindro de medición para simplificar el análisis. En teoría, el cilindro de medición sólo mide el flujo vertical del agua, sin permitir el flujo horizontal. Este método utiliza técnicas de caída o de altura constante, y debe mantenerse el mismo nivel de agua en ambos cilindros para obtener los mismos gradientes de presión, lo que normalmente requiere mucha agua.
Figura 6. Sección transversal de un infiltrómetro de anillo doble o concéntrico
Ventajas e inconvenientes del infiltrómetro de anillo
Los anillos más grandes del infiltrómetro de anillo tienen en cuenta una mayor variabilidad espacial, por lo que representan mejor las condiciones de campo que los instrumentos de laboratorio, lo que significa que son más útiles para la modelización. Sin embargo, la medición requiere mucha agua: entre 60 y 100 litros de agua por hora, suponiendo una velocidad de infiltración de unos 30 cm/hora (un suelo de alta conductividad podría necesitar más de 300 litros/hora), lo que es difícil de transportar. Y la medición lleva mucho tiempo: de dos a tres horas, dependiendo del tamaño del anillo.
Otra cuestión es la necesidad de estimar el factor de longitud capilar macroscópica del suelo (denominado Alfa) para corregir el flujo tridimensional. Existen tablas para estimar este parámetro Alpha, pero si se equivoca, da lugar a estimaciones inexactas de la conductividad hidráulica.
Y, a menudo, el cilindro amortiguador no es eficaz para detener el flujo lateral. Esto se ha demostrado en la literatura mediante análisis de laboratorio y modelización. Así que los cálculos basados en el supuesto de que sólo hay flujo vertical puede dar lugar a sobreestimaciones.
SATURO (KFS): Cómo funciona
METER SATURO automatiza el conocido método de doble cabezal, que mide la infiltración en dos cabezales de presión diferentes, agilizando la medición y evitando posibles errores humanos.
Instalación del infiltrómetro SATURO
Estanca el agua en la parte superior del suelo, utiliza presión de aire para crear los dos cabezales de presión y una bomba mantiene automáticamente los niveles de agua correctos. Su procesador interno calcula automáticamente a bordo la conductividad hidráulica saturada en el campo, eliminando el procesamiento posterior de los datos.
Figura 7. SATURO sección transversal
SATURO pros y contras
El SATURO combina automatización y análisis simplificado de datos en un solo sistema. Está diseñado para que una sola persona pueda transportarlo y configurarlo, y como mantiene automáticamente los niveles de agua correctos, elimina las constantes mediciones y ajustes.
La medición lleva cierto tiempo, pero mucho menos que un infiltrómetro de anillo, y funciona sin supervisión. Se pueden utilizar varios instrumentos simultáneamente y evita la necesidad de estimar el factor alfa, lo que elimina una fuente habitual de error. Utiliza dos bolsas de agua de 20 litros, pero necesita mucha menos agua que un infiltrómetro de doble anillo porque no requiere un anillo exterior grande.
En el siguiente seminario web, el Dr. Gaylon S. Campbell enseña los fundamentos de la conductividad hidráulica y la ciencia que hay detrás del infiltómetro automatizado de doble cabezal SATURO .
Infiltómetro de presión (Kfs)
El infiltrómetro de presión es similar a un infiltrómetro de anillo simple, salvo que un accesorio en la parte superior del anillo permite controlar la cabeza de presión aplicada sobre el anillo (figura 8).
Figura 8. Sección transversal del infiltrómetro de anillo de presión
Los usuarios aplican un cabezal único durante un tiempo determinado, luego cambian a un cabezal de mayor presión durante un intervalo establecido y, a continuación, vuelven a cambiar al cabezal inferior durante un intervalo establecido. Esto se repite hasta que se alcanza una tasa de infiltración en estado casi estacionario para ambas alturas de presión. Las tasas de infiltración en las diferentes alturas de presión pueden utilizarse para estimar valores como el valor Alfa o la sorptividad.
Pros y contras del infiltrómetro de presión
Tabla 2. Ventajas e inconvenientes del infiltrómetro de presión
Ventajas
Desventajas
La medición de (𝛂) mejora el análisis de Kfs
Aparatos de medición más complejos
También puede utilizarse para determinar la sortividad y el potencial de flujo matricial
La técnica de cabezas múltiples requiere más tiempo
No está automatizado: requiere más trabajo
Esta técnica le permite realizar análisis de alturas múltiples, lo que le permite realizar otras mediciones como la sortividad y el potencial de flujo matricial. Además, puede medir el factor macroscópico de longitud capilar (el valor Alfa) en lugar de estimarlo, lo que elimina una posible fuente de error al corregir el flujo tridimensional.
Pero es un aparato de medición más complejo. Requiere más automatización, sobre todo para cambiar de cabezal de presión. Y lleva mucho tiempo alcanzar una tasa de infiltración constante en ambos cabezales de presión.
Permeámetros de sondeo (KFS)
Existen varios diseños de permeámetros de sondeo (lo cual queda fuera del alcance de este artículo), pero aquí exploraremos los aspectos básicos.
Figura 9. Sección transversal del permeámetro de sondeo
Los permeámetros de sondeo utilizan un método de cabeza constante para evitar errores al comprobar la altura del agua en un pozo. Para utilizar un permeámetro de sondeo, se perfora un pozo hasta la profundidad deseada, se monta el permeámetro sobre el pozo y se inserta el burbujeador mariotte para mantener una altura constante dentro del pozo. A continuación se calcula el caudal de entrada, se espera al estado estacionario y se utilizan esos valores para calcular la conductividad hidráulica, tras lo cual se corrige el flujo tridimensional. Se pueden realizar análisis de alturas simples y múltiples modificando el nivel del agua y la altura de presión en el interior de la perforación.
Pros y contras de los permeámetros
Tabla 3. Pros y contras del permeámetro de sondeo
Ventajas
Desventajas
La medición de (𝛂) mejora el análisis de Kfs (sólo si se utiliza el análisis de cabezas múltiples)
Pequeña superficie
Análisis de diferentes capas de suelo
Largos tiempos de medición
Puede utilizarse para determinar la sortividad y el potencial de flujo matricial
Posible ensuciamiento y sedimentación
No hay visibilidad de la superficie de medición
Si utiliza el análisis de la altura de embalse múltiple, un permeámetro le permite medir Alpha, eliminando una posible fuente de error, y puede determinar la sortividad y el potencial de flujo matricial. También es más fácil medir diferentes capas del suelo porque sólo hay que perforar un pequeño agujero, frente a los infiltrómetros de anillo, que requieren una gran excavación.
Los permeámetros sólo miden una pequeña superficie, por lo que se necesitan más mediciones para obtener una representación del campo. Y los tiempos de medición son largos, sobre todo cuando se hacen análisis de múltiples cabezales.
Otro problema es el ensuciamiento y la sedimentación en el interior de la perforación (es decir, la barrena puede ensuciar la superficie mientras corta). Esto cierra los poros y los incapacita para conducir el agua, lo que provoca subestimaciones. Como no hay visibilidad, es difícil saber si se ha producido ensuciamiento o sedimentación. Sin embargo, existen métodos para reducir estos problemas.
TÉCNICAS DE LABORATORIO: CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA NO SATURADA
Células de flujo (K(Ψ))
Las celdas de flujo también se utilizan para medir la conductividad hidráulica no saturada (K(Ψ)), pero a diferencia de la conductividad hidráulica saturada, la medición requiere tensiómetros (Figura 10).
Figura 10. Sección transversal de la celda de flujo y del tensiómetro
El agua fluye desde una fuente de agua, a través de la muestra y fuera del núcleo del suelo. Dos tensiómetros supervisan el potencial hídrico y el usuario controla el caudal de bajo a alto para permitir que el suelo transmita agua en condiciones no saturadas. Se mantiene un caudal constante hasta que ambos tensiómetros indican el mismo potencial hídrico (succión del suelo). Estas mediciones y el caudal se utilizan para determinar la conductividad hidráulica no saturada a ese potencial específico. Para obtener las propiedades de retención, el usuario también mide el contenido de agua del núcleo del suelo. Los pasos se repiten para determinar diferentes puntos a lo largo de la curva de conductividad hidráulica no saturada.
Ventajas e inconvenientes de la célula de flujo
Tabla 4. Ventajas e inconvenientes de la celda de flujo
Ventajas
Desventajas
Propiedades simultáneas de transmisión y retención del agua
Requiere un método para mantener un flujo constante
Estimación de los parámetros de flujo saturado y no saturado en la misma columna de suelo
Operación compleja
Una célula de flujo le permite medir la conductividad hidráulica no saturada y las propiedades de retención al mismo tiempo, lo que permite generar una curva parcial de liberación de humedad del suelo. Además, puede medir parámetros de flujo saturado y no saturado en la misma columna de suelo.
Sin embargo, esta técnica requiere una bomba para controlar y cambiar los caudales, y su funcionamiento es complicado. Las celdas de flujo también necesitan espacio en el laboratorio, y la automatización requiere instrumentación compleja.
Método de evaporación (K(Ψ))
El método de evaporación fue introducido por primera vez por Wind en 1968. Requiere un núcleo de suelo con tensiómetros insertados a diferentes profundidades. El núcleo inicialmente saturado está abierto en la parte superior y cerrado en la inferior, permitiendo únicamente la evaporación desde la superficie. Esto crea un gradiente de potencial mátrico en el núcleo. La masa del núcleo del suelo y el gradiente se miden a medida que el agua se evapora con el tiempo, lo que permite calcular el potencial de flujo mátrico o la conductividad hidráulica no saturada. Esta técnica requiere una tasa de evaporación constante para obtener mediciones simultáneas de la cabeza mátrica y del contenido de agua, lo que permite tanto la medición de la conductividad hidráulica no saturada como la generación de la curva de liberación de humedad del suelo.
HYPROP (K(Ψ))
El METER HYPROP es un instrumento de laboratorio basado en una versión simplificada de la técnica de evaporación Wind/Schindler.
HYPROP 2 crea curvas de liberación de humedad del suelo
En el interior de HYPROP hay dos tensiómetros a diferentes alturas dentro de un núcleo de suelo que sólo está abierto en la superficie (figura 11).
Figura 11. Sección transversal del interior del cilindro HYPROP
El HYPROP se asienta sobre una balanza y mide la masa del núcleo del suelo a medida que se evapora con el tiempo. Genera tanto las propiedades de retención del suelo como la conductividad hidráulica no saturada. La conductividad hidráulica no saturada se calcula mediante la inversión de la ecuación de Darcy (ecuación 4).
Ecuación 4
HYPROP pros y contras
Cuadro 5. HYPROP pros y contras
Ventajas
Desventajas
Propiedades simultáneas de transmisión y retención del agua
Datos K(Ψ) poco fiables cerca de la saturación
Medición automatizada
Curva de aprendizaje
Excelente resolución de medición
Sólo características de desorción
La ventaja de HYPROP frente a una célula de flujo es una medición completamente automatizada en todo el rango de humedad. HYPROP ahorra tiempo al generar automáticamente la curva de conductividad hidráulica no saturada mientras usted hace otras cosas. Proporciona simultáneamente propiedades de transmisión y retención de agua con alta resolución (más de 200 puntos de datos) excepto cerca de la saturación. Combínelo con el KSAT para el extremo saturado de la curva, y con el WP4C instrumento de potencial hídrico (suelos secos) para generar curvas completas de liberación de humedad del suelo. Obtenga más información sobre las curvas de liberación de humedad del suelo en el siguiente vídeo.
El HYPROP tiene una curva de aprendizaje, pero una vez queaprender a llenar tensiómetros, es una configuración fácil. Y una vez configurado, es completamente automático. Tenga en cuenta que HYPROP sólo mide las características de desorción (pérdida de agua) porque es un método de evaporación, por lo que puede haber diferencias con las características de adsorción (adición de agua).
TÉCNICAS DE CAMPO: CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA NO SATURADA
Infiltrómetros de tensión (K(Ψ))
Los infiltrómetros de tensión sólo miden la conductividad hidráulica no saturada. Se coloca una placa porosa en el suelo (figura 12) y el agua se extrae mediante succión controlada por una torre que contiene un borboteador mariotte.
Figura 12 Sección transversal del infiltrómetro de tensión
Controla la succión negativa introduciendo el tubo de burbujas más profundamente en el agua para aumentar la energía necesaria para aspirar aire y sustituir el agua aspirada a través del dispositivo. Esta técnica permite el análisis mediante métodos transitorios o estacionarios.
Método transitorio: mide la tasa de infiltración a medida que cambia con el tiempo y la extrapola a un estado estacionario.
Método del estado estacionario: con el tiempo, se alcanza un estado estacionario de la tasa de infiltración.
Un infiltrómetro de tensión infiltra agua en el suelo bajo succiones impuestas, por lo que puede medir las tasas de infiltración a diferentes succiones negativas para segregar los tamaños de los poros. Cuanto mayor sea la succión, más pequeños tendrán que ser los poros para extraer el agua. También es una técnica de infiltración tridimensional, por lo que requiere un análisis tridimensional del flujo.
Ventajas e inconvenientes del infiltrómetro de tensión
Tabla 6. Ventajas e inconvenientes del infiltrómetro de tensión
Ventajas
Desventajas
Aspiración controlada
Los métodos de estado estacionario requieren mucho tiempo
Los discos más grandes tienen más variabilidad espacial
Requiere la estimación de las propiedades del suelo para corregir el flujo tridimensional
Estimación de la sorptividad y la repelencia
Fotografía de un infiltrómetro de tensión
Las ventajas del infiltrómetro de tensión son que la succión controlada permite medir la conductividad hidráulica no saturada a un potencial mátrico específico. El uso de un disco más grande tendrá en cuenta una mayor variabilidad espacial. Sin embargo, esto puede no ser crítico porque los poros grandes son la principal fuente de variabilidad espacial, y drenan a succiones muy bajas. Los infiltrómetros de tensión también se utilizan para obtener una estimación de la sorptividad y la repelencia, lo que resulta útil para los estudios de hidrofobicidad en situaciones posteriores a incendios forestales.
Las limitaciones son que los métodos de estado estacionario requieren mucho tiempo y, al igual que con el método transitorio, es posible que se produzcan imprecisiones (sobre todo en un suelo muy seco con una tasa de infiltración inicial más alta). Por eso es conveniente realizar varias mediciones. Esta técnica requiere una estimación de Alpha para corregir el flujo tridimensional, una posible fuente de error. Pero, en general, es una buena técnica de campo.
Consideraciones sobre la medición de la conductividad hidráulica
No asuma que puede utilizar los mismos valores de conductividad hidráulica del suelo para el mismo tipo de suelo en un campo. Esto no es cierto, especialmente con diferentes usos del suelo y posiciones del paisaje. Un investigador descubrió cambios drásticos en las propiedades hidráulicas de un mismo tipo de suelo. Su emplazamiento variaba entre pradera nativa, pasto mejorado y laboreo convencional, y había un fuerte cambio en la posición del paisaje en los tres campos.
Figura 13. Valores de conductividad hidráulica para tres usos del suelo y posiciones del paisaje diferentes en las blacklands de Texas. Los investigadores realizaron mediciones por triplicado de la conductividad hidráulica saturada en el campo utilizando infiltrómetros de doble anillo en cada uno de los puntos.
La figura 13 muestra las mismas tendencias tanto en los pastos como en las praderas a lo largo de la cumbre, la ladera posterior y la ladera inferior. Los valores de conductividad hidráulica del suelo son más altos en la ladera posterior y más bajos en la ladera inferior. Esto se debió en parte al efecto catina (cambios en las propiedades hidráulicas del suelo y la composición química del suelo debido a la lixiviación de solutos de la cumbre y la precipitación de solutos en la ladera). Curiosamente, esta tendencia no fue evidente en el sitio de labranza convencional, probablemente debido al hecho de que este sitio fue perturbado (regularmente labrado).
¿Dónde debe medir? ¿Cuántas mediciones?
Una estrategia consiste en medir la CE aparente en un campo para obtener una estimación de la variabilidad espacial real. Con esta información, puede decidir dónde realizar las mediciones y cuántas son necesarias para abarcar la variabilidad espacial del campo. La figura 14 es un mapa de CE de un campo generado utilizando un dispositivo EM38 para medir la CE global.
Figura 14. Mapa de CE que muestra la variabilidad en un campo de Texas
Este mapa ayudó a los investigadores a separar el campo en secciones y decidir dónde realizar las mediciones. En este caso, los investigadores optaron por realizar mediciones por triplicado de la conductividad hidráulica saturada del campo en cada uno de los puntos elegidos (cruces blancas).
Profundice en cómo medir la conductividad hidráulica
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)
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).
Daniel DE. 1989. Ensayos de conductividad hidráulica in situ para arcilla compactada. J. Geotech. Eng. 115(9).(Enlace del artículo)
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)
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)
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)
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)
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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.
Las mediciones inexactas de la conductividad hidráulica saturada (Kfs) son comunes debido a errores en la estimación alfa específica del suelo y a una inadecuada amortiguación tridimensional del flujo.
El Dr. Gaylon Campbell, físico del suelo de renombre mundial, enseña lo que hay que saber para realizar modelos sencillos de los procesos hídricos del suelo.
La mayoría de la gente considera la humedad del suelo sólo en términos de una variable: el contenido de agua. Pero se necesitan dos tipos de variables para describir el estado del agua en el suelo.