Unidad II. Relación agua-suelo definición de suelo



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IRRIGACIÓN Y DRENAJE UNIDAD II RELACION AGUA AGUA-SUELO

UNIDAD II.- RELACIÓN AGUA-SUELO
2.1.- Definición de suelo.
El término suelo se deriva del latín “Solum” que significa “piso” o “terreno”. En general el suelo se refiere a la superficie suelta de la tierra para distinguirlo de la roca sólida. Algunas personas cuando se refieren al suelo tienen en mente al material que nutre y sostiene a la planta en desarrollo, pero este significado es más general, ya que incluye no solamente al suelo en el sentido común sino también a las rocas, el agua, la materia orgánica y formas vivientes, y aún el aire; materiales y substancias que intervienen directa o indirectamente en el desarrollo de las plantas.
Para el agricultor es el medio donde se desarrollan los cultivos. De aquí que las definiciones de suelo más aceptables consideran, por un lado:
1) El suelo es un material mineral no consolidado sobre la superficie inmediata de la corteza terrestre, que sirve como un medio natural para el desarrollo de las plantas terrestres.
2) El suelo es el material mineral no consolidado sobre la superficie terrestre, que ha estado sujeto e influenciado por factores genéticos y del medio ambiente como son el material madre, el clima (incluyendo efectos de humedad y temperatura), los macro y micro organismos, y la topografía; todos ellos actuando en un período de tiempo y originando un producto, el suelo.
2.2.- Textura.
La textura del suelo se refiere a la cantidad relativa de arena, limo y arcilla que existe en el suelo, de acuerdo a esta distribución relativa se clasifican de acuerdo a un triángulo de texturas (Figura 1). La importancia de su estudio radica en la influencia que ésta tiene en la cantidad de agua que puede almacenar un suelo; el movimiento de agua en el suelo; la facilidad de abastecimiento de nutrientes, de agua y de aire, de gran utilidad para las plantas.
En suelos términos generales los suelos se dividen en suelos de textura fina y gruesa. En los suelos de textura fina predominan las arcillas, y tienen una mayor capacidad de adsorción de nutrientes; usualmente son más fértiles.
Los suelos arenosos tienen poros grandes y permiten una más rápida infiltración del agua. Sin embargo, los suelos arcillosos tienen una mayor capacidad de retensión de agua, debido a su mayor área superficial, tienen un volumen de vacíos total (porosidad) total que los suelos arenosos.

Existen varios métodos para estimar la textura:



  1. Método del tacto

  2. Método de la pipeta

  3. Método del hidrómetro de Bouyoucos

El método del tacto consiste en humedecer una pequeña cantidad de suelo y amasarlo con los dedos, estimando al tacto y en forma cualitativa la textura del suelo. Por este procedimiento se puede estimar rápidamente en el campo, la textura de un suelo; es evidente que se obtiene mayor aproximación cuando se tiene experiencia al respecto.


Los otros dos métodos son de laboratorio y se basan en la Ley de Stokes, para lo cual se mide la velocidad de caída de una esfera dentro de un fluido, en función de las características éste.
Para el método de la pipeta se toma una muestra de la suspensión a la profundidad deseada. Se puede determinar la cantidad de sólido en el volumen que se ha tomado como muestra, evaporando el agua, secando el residuo y pesándolo. Este método requiere que la pipeta sea llenada a una velocidad uniforme para lo cual se puede fijar la pipeta a una fuente de vacío constante.
El método de Bouyoucos consiste en determinar la cantidad de sólidos en suspensión; la densidad de la suspensión se mide por medio de un densímetro especial, llamado hidrómetro de Bouyoucos, y que consta de un vástago en el cual se encuentra una escala de 0 a 60 y que esta dada en gramos por litro. Además tiene un cuerpo cuyo extremo inferior se encuentra lleno de plomo, con un peso determinado, esto es con el fin de que hidrómetro se mantenga estable.
Tanto el método de la pipeta como el del hidrómetro de Bouyoucos son procedimientos cualitativos y cuantitativos, por lo que se utilizan para mediciones más precisas.


2.3.- Estructura.
La estructura puede considerarse como la disposición o arreglo de las partículas primarias (arena, limo y arcilla). Aunque hay muchas clases de agregados reconocidos en la morfología del suelo, el granular es el más importante en la producción de cultivos. Los diferentes tipos de estructura, de acuerdo con su forma, son: granular, migajosa, laminar, bloques, bloques subangulares, prismática y columnar.


(a) (b) (c)



(e)
(d)


En las imágenes anteriores, en la figura (a) se observa en la parte superior del perfil del suelo una estructura tipo granular, en la parte inferior la estructura es de bloques subangulares; en la figura (b) se observan tres tipos de estructura en el desarrollo del perfil del suelo, en la parte superior es de bloques subangulares, en la parte media es prismática y en la parte inferior es de bloques angulares; en la figura (c) la imagen superior es de un suelo con estructura de bloques angulares, en la imagen inferior la estructura es de tipo laminar; en la figura (d) se observa una estructura columnar; y en la figura (e) la estructura es de tipo prismática.
La estructura afecta la penetración del agua, el drenaje, la aireación y el desarrollo de raíces, afectando así la productividad del suelo y las facilidades de labranza. Especialmente en el suelo superficial, la estructura puede ser alterada por las labores de cultivo, mientras que la textura no cambia por las operaciones usuales de laboreo.
2.4.- Densidad aparente.
Es la relación que existe entre la masa de suelo seco y el volumen total de suelo de donde se tomó la muestra. En otras palabras es el cociente que resulta de dividir la masa de suelo seco entre el volumen total de suelo.

(2.1)
Da es la densidad aparente en gr/cm3.

Ms es la masa de suelo en gr.

Vt es el volumen total de suelo en cm3.


La densidad aparente varía de manera inversamente proporcional a la porosidad del suelo, es decir, un suelo arenoso tiene bajo espacio vacío total (porosidad), por lo que su densidad es alta, es decir tiene mayor cantidad de material sólido. Mientras que los suelos arcillosos al tener mayor porosidad tienen también una menor densidad aparente, lo cual significa que tienen menos material mineral (sólido) que los suelos arenosos. La densidad aparente aumenta con la profundidad en el perfil del suelo. Esto se debe a que existen niveles más bajos de materia orgánica, por consecuencia menor agregación y más compactación. Los valores de la densidad aparente varían en función de las propiedades físicas de los suelos, principalmente la textura y la cantidad de materia orgánica, sin embargo es posible considerar algunos valores medios, en función precisamente de la textura:
Arena 1.6 – 1.7 g/cm3

Francos 1.3 – 1.4 g/cm3

Arcillosos 1.0 – 1.2 g/cm3

Suelos orgánicos 0.7 – 1.0 g/cm3

Los métodos para determinar la densidad son:


  1. Método de campo utilizando plástico.

  2. Uso de barrenas o cilindros de volumen conocido.

  3. Método del terrón cubierto con parafina.

Los dos primeros son de campo y el tercero es de laboratorio.


a) El método de campo utilizando plástico consiste en realizar una perforación en el terreno con una pala, dicha perforación debe tener una dimensión de 20x20x15 cm aproximadamente. El suelo que se saca de la perforación se pesa para obtener así el peso del suelo húmedo, posteriormente se somete a secado en una estufa a 105 – 110º C durante 24 horas, y se pesa nuevamente para obtener así el peso del suelo seco. Para calcular el volumen total del suelo, se utiliza un plástico de polietileno o cualquier plástico flexible; el plástico se coloca en la perforación acomodándolo de tal forma que cubra completamente el agujero hecho en el terreno, posteriormente utilizando una probeta graduada se hecha agua al agujero, y se anota el volumen de agua requerido para llenar la perforación.
Cuando no se puede llevar todo el suelo obtenido en el campo, por ser grande el volumen de la muestra; se pesa el total de la muestra en el campo, y se obtiene el peso del suelo húmedo, de ella se obtiene una muestra representativa para determinar el contenido de humedad mediante secado en la estufa; con el contenido de humedad se determina el peso del suelo seco y como el volumen del suelo es conocido, se determina la densidad aparente utilizando la siguiente fórmula:
(2.2)
Da es la densidad aparente (g/cm3)

Psh es el peso del suelo húmedo (kg)

Vt es el volumen total del suelo (lt)

w es el contenido gravimétrico de humedad (%)


b) El método de campo utilizando barrena o cilindros de volumen conocido es útil en suelos no pedregosos. El cilindro tiene un diámetro de 7.5 cm y se introduce al suelo por impacto; la muestra de suelo obtenida se seca en la estufa a una temperatura de 105º C y se obtiene el peso del suelo seco, como el volumen del cilindro es conocido se obtiene fácilmente la densidad aparente utilizando la fórmula 2.1.
c) Método del terrón cubierto con parafina. Esta basado en que la densidad aparente de los terrones o de las unidades estructurales del suelo se puede calcular a partir de su masa y su volumen.
El volumen se determina mediante el recubrimiento del terrón con una sustancia impermeable al agua y pesándolo tanto al aire como sumergido en agua de densidad conocida, haciendo uso del principio de Arquímedes. El terrón o la unidad estructural de suelo, debe ser lo suficientemente estable para que no se destruya en su recubrimiento, pesada y manejo. La densidad aparente se calcula con la siguiente expresión:
(2.3)
Da es la densidad aparente en gr/cm3

Dp es la densidad de la parafina en gr/cm3 (varía entre 0.85 y 0.90)

Pss es el peso del terrón de tierra seco en gr

S es el peso del terrón más parafina en gr

Vd es el volumen desplazado por el terrón cubierto de parafina en cm3
Otros parámetros relacionados con la densidad aparente de los suelos es la densidad real (Dr) y la porosidad () de los mismos.
La densidad real (Dr) de un suelo es la relación que existe entre el peso de éste en seco (Pss) y el volumen real, o sea, el volumen de sus partículas (Vp), se expresa en gr/cm3.
(2.4)
Dr es la densidad real en gr/cm3

Pss es el peso del suelo seco en gr

Vp es el volumen real de las partículas en cm3
En la mayoría de los suelos la densidad real es constante y varía entre 2.60 y 2.70 gr/cm3. Para diseño es válido utilizar el valor medio de 2.65 gr/cm3.

La porosidad es el espacio poroso del suelo, no ocupado por partículas sólidas. El espacio poroso esta ocupado por el aire y agua. El arreglo de las partículas sólidas del suelo determina la cantidad de espacio poroso. Matemáticamente la porosidad se define como el porcentaje del volumen total del suelo que está ocupado por los poros.


(2.5)
 es la porosidad en %

Vv es el volumen de vacíos en cm3

Vt es el volumen total en cm3.
O bien,
(2.6)
Los valores de la porosidad dependen de la textura del suelo y fluctúan alrededor de los siguientes porcentajes:
Arenas 30%

Francos 50%

Arcillosos 65%
La textura, estructura, densidad aparente y porosidad influye en la capacidad de retención del agua, sobre el movimiento del aire, del agua y del crecimiento de las raíces de las plantas en el suelo.

Superficie específica

La superficie específica o área superficial se define como el área de la superficie externa más el área de la superficie interna (en el caso de que esta exista) de las partículas constituyentes del suelo, por unidad de masa, expresada en m2/g.

Las arcillas poseen una elevada superficie específica, muy importante para la adsorción de nutrientes por el suelo, en los que la interacción sólido-fluido depende directamente de esta propiedad.




2.5.- Relaciones gravimétricas y volumétricas
Es relativamente simple determinar el contenido de humedad mediante el método gravimétrico, sin embargo, para cuestiones de riego es más útil conocer el contenido de humedad en forma volumétrica, para ello se establecen algunas relaciones que nos permitirán determinar el contenido gravimétrico de humedad a partir del contenido volumétrico y viceversa.
Para determinar el contenido gravimétrico de humedad en el suelo se utiliza la siguiente expresión:
(2.7)
donde;
w es el contenido gravimétrico de humedad (%)

Mw es la masa del agua (gr, kg)

Ms es la masa del suelo seco (gr, kg)
Mientras que el contenido volumétrico de humedad en el suelo se calcula mediante la expresión:
(2.8)
donde;
 es el contenido volumétrico de humedad (%)

Vw es el volumen de agua en el suelo (cm3, lt)

Vt es el volumen total del suelo (cm3, lt)
La relación entre estas dos ecuaciones es la siguiente:
(2.9)
donde;
s es la densidad del suelo (gr/cm3)

Ms es la masa del suelo (gr)

Vt es el volumen de suelo (cm3)
(2.10)
w es la densidad del agua (gr/cm3)

Mw es la masa del agua (gr)

Vw es el volumen de agua (cm3)
Despejando las ecuaciones 2.9 y 2.10
(2.11)
(2.12)
De la ecuación 2.7 tenemos que
entonces;

y por lo tanto
(2.13)
Entonces;

(2.14)



Formas de expresar el contenido de humedad en el suelo
Como se mostró anteriormente dos de las formas para expresar el contenido de humedad en el suelo son:
1. Contenido de humedad en forma gravimétrica (Ecuación 2.13)

2. Contenido de humedad en forma volumétrica (Ecuación 2.14)


Otra forma de expresar el contenido de humedad en el suelo es en forma de lámina de agua. Para ello se utiliza cualquiera de las siguientes ecuaciones:
(2.15)
(2.16)
w es el contenido de humedad en forma gravimétrica expresada en forma de fracción (adimensional)

2.6.- Infiltración
La infiltración es el proceso mediante el cual entra el agua al suelo. La cantidad de agua que se infiltra en un suelo en una unidad de tiempo, bajo condiciones de campo, disminuye conforme aumente la cantidad de agua que ya ha entrado en él, la cual es máxima al comenzar la aplicación del agua en el suelo; este comportamiento es de gran importancia para los estudios de aprovechamiento de agua de lluvia y de riego.
La velocidad de infiltración es la relación entre la lámina que se infiltra y el tiempo que tarda en hacerlo, expresada generalmente en cm/hr o cm/min. La velocidad de infiltración depende de muchos factores entre ellos destacan: la lámina de riego o lluvia; la temperatura del agua y el suelo; la estructura y compactación; textura; contenido de humedad en el suelo; estratificación y actividades microbianas. Para obtener el tiempo necesario para la aplicación de un riego, se integra la velocidad de infiltración.
Para medir la infiltración del agua en un suelo, se utilizan dos métodos de campo:


  1. Método del infiltrómetro de doble cilindro.

  2. Método de entradas y salidas.




  1. El primer método es recomendable para la determinación de la velocidad de infiltración, para el diseño y evaluación de métodos de riego por inundación total. La prueba de infiltración con cilindros consiste en instalar en el terreno escogido para la prueba un juego de dos cilindros de acero, huecos en el centro, de 50 cm de alto, de 30 y 45 cm de diámetro, respectivamente. Se coloca una placa de acero sobre los cilindros, manteniéndolos a nivel. Luego se golpea la placa hasta que los cilindros penetren de 10 a 15 cm dentro del suelo, procurando que entren perfectamente perpendicular al suelo. Se llena de agua la parte comprendida entre los dos cilindros. Se coloca un plástico de polietileno o cualquier plástico flexible, dentro del cilindro interior procurando que la superficie del suelo y las paredes del cilindro queden completamente cubiertas. Se llena de agua el cilindro interior cubierto con el plástico y se mide el tirante y la lectura inicial antes de quitarlo. Se retira el plástico rápidamente y se hace la segunda lectura del nivel del agua utilizando la regla o tornillo micrométrico colocado en el interior del cilindro. La lectura se hace para diferentes intervalos, dejando que baje el nivel del agua de 3 a 5 cm volviendo a agregar agua. Esto se hace en un intervalo corto de tiempo llamado tiempo muerto (1 min) en el cual no se calcula la velocidad de infiltración. Una vez terminada la prueba se sacan los cilindros del suelo y se lavan con agua limpia. Es importante aclarar que el cilindro exterior sirve para facilitar el mojado del borde del suelo bajo estudio (en el anillo interior), esto reduce los errores que puedan surgir si un borde de suelo seco provoca el flujo horizontal del agua que penetra en el suelo del cilindro interior (Figura 2).




  1. El Método de Entradas y Salidas se utiliza en riegos por surcos; para medir la velocidad de infiltración con este método se selecciona un tramo de surco, se coloca una estructura aforadora pequeña al final del tramo seleccionado, se aplica un gasto al surco, tratando de que se mantenga constante, con sifones debidamente calibrados, luego se calcula la velocidad de infiltración partiendo de que se tiene un gasto de entrada (Q1) en la cabecera, y un gasto de salida (Q2) medido en la estructura aforadora; la diferencia de gastos (Q1 menos Q2) es el caudal de agua que permanece dentro del tramo de surco seleccionado, si se considera el tiempo transcurrido y el área de dicho tramo, es posible obtener la velocidad de infltración (VI).


Cálculo de la velocidad de infiltración e infiltración acumulada.
Para ajustar los datos de campo se han obtenido varios modelos matemáticos, entre los que se pueden mencionar; la ecuación de Horton; la ecuación de Philip; la ecuación de Kostiakov-Lewis y la ecuación de Green y Ampt.
De estas, las acuaciones que analizaremos en este curso son:


  1. Ecuación de Kostiakov-Lewis


(2.17)
I es la velocidad de infiltración en cm/min

t es el tiempo en minutos

k es un parámetro que representa la velocidad de infiltración durante el intervalo inicial (cuando t = 1)

n es un parámetro que indica la forma en que la velocidad de infiltración se reduce con el tiempo (-1 < n < 0).


K y n se obtienen de un proceso de regresión lineal.
Para realizar la regresión, la ecuación 2.17 debe expresarse en forma logarítmica, quedando de la siguiente manera:
Log I = Log K + n Log t (2.18)
Para el cálculo de la regresión lineal de manera manual se utiliza el procedimiento de los promedios, sin embargo esta operación puede hacerse en utilizando una hoja de cálculo en Excel, tomando menos tiempo para ello, y menor probabilidad de error. El procedimiento de los promedios consiste en lo siguiente:
1.-
2.- Log I = Log K + n Log t
3.- Se linealiza el modelo (2.19)
4.- (2.20)

b1 = n
5.- (2.21)
Antilogaritmo de b0 = K
6.- (2.22)
r es la medida del grado o intensidad de asociación entre las variables y se conoce como un coeficiente de correlación, entre los datos de campo y los datos calculados. r2 es un término asociado a r y significa el grado en que el modelo linealizado explica el comportamiento de la variación de Y. Cheque el apéndice al final de la unidad donde se muestra un ejemplo de cálculo utilizando la ecuación de Kostiakov-Lewis.


  1. Ecuación de Green y Ampt

La ecuación de Green y Ampt toma como base la ley de Darcy y para su deducción considera las siguientes hipótesis:




  1. El perfil de humedad inicial en una columna de suelo es uniforme  = 0.

  2. La presión del agua en la superficie del suelo es hidrostática,  = h  0, h es el tirante de agua.

  3. Existe un frente de humedecimiento bien definido caracterizado por una presión negativa:  = f < 0; f es denominado presión en el frente de humedecimiento.

  4. La región entre la superficie del suelo y el frente de humedecimiento (Zf) esta completamente saturada (flujo en pistón)  = s y K = Ks, donde Ks es la conductividad hidráulica a saturación, es decir, el valor de la conductividad hidráulica de la ley de Darcy correspondiente al contenido volumétrico de agua a saturación.

La ecuación de Green y Ampt queda:


(2.23)
=(h+hf)(s - 0)
I es la lámina infiltrada en cm

Ks es la conductividad hidráulica a saturación en cm/hr

t es el tiempo en min

h es el tirante de agua en cm

hf es la presión en el frente de humedecimiento en cm

s es el contenido de humedad a saturación en cm3/cm3

0 es el contenido de humedad inicial en cm3/cm3
Es posible obtener las propiedades del suelo para fines de riego, de manera aproximada, utilizando los triángulos de textura propuestos por Fuentes y adaptados de Rawls y Brakensiek, 1983. Estos triángulos se observan en el Anexo.
Cuando un suelo se encuentra saturado, el agua ocupa todo el espacio poroso en el suelo, por lo tanto, el contenido de humedad a saturación es equivalente a la porosidad del suelo.
Es común denominar velocidad de infiltración básica al valor a que tiende la velocidad de infiltración en los tiempos muy largos. En el caso de una columna semi-infinita, la velocidad de infiltración básica es igual a la conductividad hidráulica a saturación; sin embargo, la velocidad de infiltración básica no es un general una propiedad intrínseca del suelo, como la conductividad hidráulica a saturación. Si existe una capa impermeable en el perfil de suelo, la velocidad de infiltración tiende a cero.
En el Anexo se muestra un ejemplo de cálculo utilizando la ecuación de infiltración de Green y Ampt.

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