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Revista de la ciencia del suelo y nutrición vegetal

versión On-line ISSN 0718-2791

R.C. Suelo Nutr. Veg. v.9 n.3 Temuco  2009

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-27912009000300004 

Rev. Cienc. Suelo Nutr. / J. Soil. Sci. Plant Nutr. 9(3): 210-221 (2009)

 

CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA EN MONOLITOS DE SUELO DE CHILE CENTRAL

 

Hydraulic Conductivity on Soil Monoliths of Central Chile

 

Manuel Casanova P.*, Osvaldo Salazar G., Oscar Seguel S., Verónica Noguer A.

Departamento de Ingeniería y Suelos, Facultad de Ciencias Agronómicas, Universidad de Chile.
*Corresponding author: mcasanov@uchile.cl


 

ABSTRACT

Four monoliths with contrasting textural classes (Sc, Scl, Ssl and Sls) from soils (Fluventic Haploxerolls and Typic Xerochrepts) of central Chile were used to obtain soil hydraulic conductivity at different slope gradients (0%, 15%, 20% and 25%) with tension infiltrometer, under laboratory conditions. A total of 13 supply pressure heads (Ψs between -140 and -20 mm) were used to obtain the unsaturated hydraulic conductivity (KΨ). Paired data [In(KΨ) y Ψs] were adjusted by two-linear models that assumed a continuous exponential function in a macroporous and mesoporous system, which considered a boundary supply pressure head. Extrapolating to zero supply pressure head, field saturated hydraulic conductivity (Ks) was estimated. In all soils, when a gravitational adjustment to supply pressure heads was used, Ks values were strongly negatively correlated to slope gradient. It is attributed to a refraction of water flow, which considered the greater frictional or viscous resistance generated by inclination.

Keywords: hydraulic conductivity, soil monolith, slope gradient, soil texture, tension infiltrometer.


RESUMEN

Se evaluó, con tensioinfiltrómetro y en condiciones de laboratorio, la conductividad hidráulica de suelos en distintos gradientes de pendiente (0%, 15%, 20% y 25 %) utilizando cuatro monolitos de clases texturales contrastantes (SA, SFA, SFa y SaF), provenientes de suelos (Fluventic Haploxerolls y Typic Xerochrepts) de la zona central de Chile. Se emplearon 13 potenciales de suministro de agua (Ψs) entre -140 y -20 mm. Obtenida la conductividad hidráulica insaturada (KΨ) para cada Ψs , los valores pareados [ln(KΨ) y Ψs] fueron ajustados a un modelo bilineal, asumiendo que una función exponencial continua de KΨ es aplicable al sistema macroporoso y mesoporoso, con un quiebre a un potencial límite. La conductividad hidráulica saturada (Ks) se estimó extrapolando al potencial de suministro cero. Así, al realizar un ajuste gravitacional del potencial de suministro, Ks mostró una marcada tendencia a disminuir en todos los suelos al aumentar el gradiente de pendiente, lo que se atribuye a una refracción del flujo de agua, considerando la mayor resistencia friccional o viscosa que se genera al inclinar el suelo.

Palabras Claves: conductividad hidráulica, monolito de suelo, gradiente de pendiente, textura de suelo, tensioinfiltrómetro


 

INTRODUCCIÓN

La hidrología de laderas constituye un gran desafío, debido a los numerosos procesos que interactúan en estas condiciones y que contribuyen significativamente a la complejidad del sistema.

La posibilidad de establecer una teoría general se ve obstaculizada por la dificultad de cuantificar muchos de estos procesos. Las interacciones entre la posición en el paisaje, las características de las precipitaciones y el uso del suelo, inducen cambios en las características superficiales del suelo, que son determinantes no sólo de la tasa de ingreso de agua al perfil, sino también de la magnitud de la escorrentía superficial (Chahinian et al, 2006; Strudley et al, 2008). En estas condiciones, el entendimiento de ambos procesos resulta crítico en aspectos como diseño de sistemas de riego y drenaje, la recarga de acuíferos y la migración de químicos (nutrientes, plaguicidas u otros) en el suelo; en modelos de erosión, es esencial para las estrategias de control de este tipo de degradación de los suelos.

El movimiento del agua a través del suelo es un proceso que responde directamente al gradiente hidráulico, e inversamente a la resistencia que opone este medio. De este modo, conceptualmente el inverso de la resistencia, la conductividad hidráulica (K), es una expresión de la habilidad intrínseca de éste para transmitir agua en diversas condiciones. De acuerdo a varios autores (Hillel, 2004; Miyazaki, 2006), la K presenta magnitudes diversas que conjugan los efectos de las características de la matriz del suelo (porosidad total, distribución de tamaño de poros y tortuosidad), así como aquellas propias de la solución que se desplaza a través de éste (densidad y viscosidad).

El hecho que la K del suelo se exprese normalmente bajo unidades de velocidad [L T-1], la convierte en una variable fácilmente comparable con procesos relacionados como la intensidad de precipitación, u otras de movimiento de agua (Reynolds et al., 2002). La conductividad hidráulica de un suelo saturado (Ks) de estructura estable es en principio constante en el tiempo, ya que se asume que la totalidad del espacio poroso se encuentra colmado del fluido. Sin embargo, en la realidad ciertas variaciones determinan el uso del sufijo fs, el cual denota que la variable se mide en condiciones de campo y acusa la probable ocurrencia de poros con aire atrapado u otros rasgos de difícil control en estas condiciones (Reynolds, 1993).

Considerando que la conductividad hidráulica en medios no saturados (KΨ) varía en respuesta a al potencial hídrico s) total existente, en el corto plazo de un evento de precipitación los procesos de infiltración y escorrentía son controlados fundamentalmente por la (KΨ) del suelo, pero en el largo plazo, dependen particularmente de esta propiedad en condiciones muy cercanas a la saturación (D'Odorico and Porporato, 2006).

Bajo condiciones de suelos estables y homogéneos, se espera que la infiltración decrezca en la medida que el gradiente de pendiente aumente (Zaslavsky and Sinai, 1981). Sin embargo, se advierte en la literatura observaciones contradictorias en cuanto a la influencia de este factor en la tasa de infiltración o en la K de los suelos, dado que normalmente se ha evaluado comparando mediciones en distintas posiciones de laderas (Mertens et al, 2002; Janeau et al, 2003; Bodhinayake et al, 2004; Bodner et al, 2008). Si se considera el sellamiento que se verifica en las posiciones inferiores, ello explicaría los resultados tanto de López et al. (2003) como de Bradford and Huang (1992) en el sentido que la K es directamente proporcional al gradiente de pendiente.

El tensioinfiltrómetro es un infiltrómetro de disco a tensión, de carga constante, que puede operar bajo potenciales hídricos (Ψs) diversos, de manera que pueden emplearse para la determinación tanto de propiedades hidráulicas en condiciones saturadas o insaturadas. Si bien hace una década es utilizado en Chile (Casanova et al, 2000a; Casanova et al, 2000b; Casanova et al, 2003; Verbist et al, 2009), ha sido inicialmente descrito en detalle por varios autores (Ankeny et al, 1991; Angulo-Jaramillo et al, 2000). Entre muchas de sus ventajas, comparado con otros métodos, es simple de usar, genera un mínimo de alteración del sitio, mide la K cercana a saturación con potenciales controlados (Ψs) y, consecuentemente, permite caracterizar la transmisión de agua a nivel de los macro y mesoporos del suelo. No obstante, debe ser calibrado y nivelado apropiadamente para su uso, pues la gravedad determina que se generen Ψs distintos al controlado, tanto en la parte alta como en la baja del disco en contacto con el suelo (Angulo-Jaramillo et al, 2000; Casanova et al, 2000a; Walker et al, 2006). El empleo de arena fina como material de contacto permite subsanar la situación ante superficies rugosas u onduladas, pero en laderas inclinadas algunos autores (Sullivan et al, 1996; Reynolds, 2006) recomiendan alterar el sitio de medición, lo que resulta inapropiado en estudios de impacto del encostramiento y sellamiento en la tasa de infiltración.

Cuando se estudia la compleja hidrología de laderas, resulta conveniente aislar algunos mecanismos y explorarlos separadamente bajo ciertos supuestos que simplifican el sistema (Ridolfi et al, 2003). En esta perspectiva, el objetivo de esta investigación se orientó a evaluar la conductividad hidráulica insaturada (KΨ) y estimar la conductividad hidráulica saturada (Ks), en condiciones de laboratorio, empleando un infiltrómetro de disco sobre cuatro monolitos de suelo no disturbado, con clases texturales contrastantes y artificialmente inclinados.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

En dos áreas localizadas en la Región Metropolitana (coordenadas son 33° 26'S -70° 49'W y 33° 28'S - 70° 50'W), se extrajeron 4 monolitos cilindricos de suelos (0,6 m de diámetro y 0,45 m de altura) con clases texturales superficiales contrastantes: arcillosa (SA), franco arcillosa (SFΑ), franco arenosa (SFa) y areno francosa (SaF). Los dos primeros suelos corresponden a Fluventic Haploxerolls y los restantes a Typic Xerochrepts (CIREN, 1996).

De acuerdo a la morfología del perfil de suelo, en cada sitio y de cada horizonte genético se extrajeron muestras en triplicado. El contenido de materia orgánica superficial se calculó mediante calcinación a 550°C (Sadzawka et al, 2007), mientras que la textura se determinó con hidrómetro de Bouyoucos (Gee and Bauder, 1986). Finalmente, de acuerdo a la metodología de Klute (1986), la densidad aparente seca se calculó con cilindro, la densidad de partículas con picnómetros y la retención de agua a (33 y 1.500 kPa) con plato y olla a presión.

La extracción de monolitos se realizó haciendo ingresar libremente un tambor metálico en el suelo, excavando alrededor sin disturbar el interior. Una vez que la superficie del suelo alcanzó su extremo cerrado, se retiró el bloque con material en exceso y se transportó invertido al laboratorio; allí se eliminó dicho exceso del bloque y se cubrió el fondo con una malla metálica fina. Luego, se invirtió sobre una estructura de madera, que posibilitó inclinarlos a cuatro gradientes de pendiente (0, 15, 20 y 25%) (Figura 1). Finalmente, se decapitó el extremo cerrado del tambor, quedando el horizonte superficial expuesto. Una metodología similar es informada por Cook (2006), aunque para bloques de suelo más pequeños. En consideración a que casi un 60% de territorio nacional presenta laderas con gradientes de pendiente superiores a un 8% (FAO, 2000), se estima que los gradientes elegidos son frecuentes en la zona central de Chile.

Para la determinación de la infiltración y la estimación de la conductividad hidráulica en condiciones insaturadas, se utilizó un tensioinfiltrómetro (CSIRO Permeameter, A.L. Franklin Precision Engineers) de 0,20 m de diámetro y agua destilada. Se garantizó un buen contacto entre la membrana porosa del disco y el suelo, empleando una capa delgada de arena fina en la superficie de cada bloque de suelo. La tasa de infiltración se midió cada 30 segundos y durante 45 min en total, asumiendo que en este tiempo se ha alcanzado el estado de equilibrio.

 

Se privilegió el empleo de 13 potenciales controlados en la torre de burbujeo (Ψs) en cada monolito para definir la forma en que se relacionan K y Ψs, más que efectuar repeticiones. Así, las tensiones empleadas fluctuaron entre 140 y 20 mm a intervalos regulares, y se aplicaron en forma descendente para minimizar el efecto histéresis.

De las numerosas técnicas para analizar los datos de tensioinfiltrómetro (KΨ,Ψs), tanto Logsdon and Jaynes (1993) como Hussen and Warrick (1993) sugieren las regresiones no lineales basadas en una solución para la infiltración desde una fuente circular (Wooding, 1968), las que entregan resultados rápidos, estables y sin valores negativos. En este sentido, Hu et al. (2009) confirman que este tipo procedimiento no requiere el conocimiento del contenido de agua, por tanto son útiles para caracterizar la variabilidad espacial y temporal de las propiedades hidráulicas del suelo. Por consiguiente, el análisis de la información se realizó siguiendo la metodología propuesta por Messing and Jarvis (1993), que considera a Wooding (1968) y Ankeny et al. (1991), obteniéndose las conductividades hidráulicas no saturadas (KΨ, LT-1) para cada potencial controlado (Ψs, L). Así estos valores pareados (KΨ ,Ψs) se ajustaron a modelos bilineales de regresión con el software NLREG (Sherrod, 2005) asumiendo que una función exponencial continua de KΨ es aplicable a dos sistemas porosos (macroporos y mesoporos), con una división a una tensión límite (Ψb) como pivote (Keng and Lin, 1982):

In KΨ= In Kb +αΜ ( Ψs-Ψb), si Ψs>Ψb

ln KΨ = ln Kb +αΜ ( Ψs-Ψb), si ΨsΨb

donde αM y αm son las respectivas pendientes de las líneas en la región de macroporos y mesoporos (Luxmoore, 1981) y K¿ representa el valor de la conductividad hidráulica insaturada en Ψb (Figura 2). La conductividad hidráulica saturada (K∫s) se estimó por extrapolación a la tensión o potencial cero.

Teniendo en cuenta que en un suelo no saturado el gradiente del potencial hidráulico está dado principalmente por la suma del potencial gravitacional y el potencial mátrico, se han propuesto dos metodologías de ajuste para mediciones con tensioinfiltrómetros en pendiente (Casanova et al, 2000a). La primera, al observar flujo superficial de agua bajo el disco, en que se asume que a la tensión controlada que se verifica dicho flujo, la tensión efectiva es cero (saturación) y por ende se modifican las tensiones preestablecidas. La segunda, sin flujo superficial bajo el disco, considera que el potencial gravitacional variará entre la parte superior del disco (pendiente arriba), la parte inferior (pendiente abajo) y el centro del disco. En esta última metodología, acorde a la geometría del equipo empleado (20 cm de diámetro), los autores proponen un ajuste del potencial de suministro de aproximadamente 1 mm por cada unidad porcentual de gradiente de las laderas.

 

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El contenido de agua de todos los suelos, al inicio de las mediciones, se mantuvo cercano a capacidad de campo. Para la tensión inicial, Ψs = 140 mm, se alcanzó el estado de equilibrio dinámico alrededor de los 30 minutos en SΑ, SFA ,SFa,SaF pero en el caso del SaF se alcanzó antes (15 min). En el Cuadro 1 se caracterizan físicamente los suelos y se incluye los valores de materia orgánica de los horizontes superficiales. De acuerdo a la descripción morfológica, todos los suelos presentan uniformidad en sus propiedades, al menos en los dos primeros horizontes. En términos de la estructura superficial, ésta fue de bloques subangulares, salvo el SaF con un grado superficial de grano simple.

 

Dp y Da: densidad de partícula y aparente, respectivamente; W1500 y W33: contenido de agua gravimétrico a 1.500 y 33 kPa, respectivamente; M.O: materia orgánica; Hx-x: horizonte genético y profundidad (cm); SA, Sfa, SFa y Sap: suelo arcilloso, franco arcilloso, franco arenoso y areno francoso, respectivamente

 

Los parámetros de regresión que definen la expresión bilineal (Cuadro 2), se indican gráficamente en la Figura 2. La tensión pivote,Ψb , mostró (Cuadro 2) una relación directa con la densidad aparente superficial (Da; Cuadro 1). De esta manera, para el SaF, el mayor valor de Da (1,67 mg m-3) se asocia al mayor valor para Ψb ; esto obedece al hecho que presenta un grado de no estructura (grano simple) en todo su perfil, reflejando la comparativamente mayor proporción de macroporos en este suelo. Con respecto a la conductividad hidráulica saturada (Ks), los valores mayores se encontraron en suelos con clase textural gruesa, independiente de la inclinación. No obstante, para un mismo suelo se observa un incremento anómalo de Ks a un gradiente de pendiente de 15% y una disminución a medida que aumenta este porcentaje (Cuadro 2).

SA, SFA, SFa o SaF: suelo arcilloso, franco arcilloso, franco arenoso y areno francoso, respectivamente. R b: coeficiente de determinación de ajuste bilineal; P: gradiente de pendiente K/s: conductividad hidráulica saturada.; 1/4,: tensión pivote; aM y am: gradientes de pendiente de recta en la zona de macroporos y microporos, respectivamente (Figura 2).

 

Bodhinayake et al. (2004) observan para suelos inclinados (0 a 20%) que no existen diferencias significativas en las propiedades hidráulicas ni en la porosidad que conduce agua, estimada in situ con tensioinfiltrómetro, lo cual llevó a Reynolds (2006) a concluir que existiría cierta compensación en los potenciales a medida que se inclina el disco. Sin embargo, al efectuar un ajuste de 0 mm, 14,8 mm, 19,6 mm y 24,2 mm a los Ψs pre-establecidos (no se observó flujo superficial al inclinar el infiltrómetro de tensión) para los gradientes de pendiente 0%, 15%, 20% y 25%, respectivamente (Casanova et al, 2000a), se aprecia (Figura 3) una disminución más clara de las Ks al incrementarse el gradiente de pendiente.

La tendencia resultante del ajuste se explica por las diferencias entre la conductividad hidráulica vertical, dominante en suelos planos, y la conductividad hidráulica horizontal o lateral que comienza a operar por efecto del gradiente de pendiente (Ritsema et al., 1996). Sharma et al. (1983) sugieren que las bajas tasas de infiltración observadas en laderas inclinadas se deben a los periodos cortos de permanencia, ya que la velocidad de flujo superficial es mayor en estas condiciones. Huat et al. (2006) agregan que para un ángulo de pendiente pronunciado la fuerza de gravedad, que actúa en forma descendente durante la infiltración, se resuelve de acuerdo al coseno del ángulo de la pendiente y actúa perpendicularmente a la pendiente de la ladera.

 

 

El potencial mátrico, en las mediciones de estos autores, indica que los frentes de mojamiento no son paralelos a la superficie del suelo inclinado. Por lo tanto, la tendencia observada en los datos de esta investigación puede ser producto de la mayor resistencia friccional o viscosa (Hillel, 2004), que se genera al inclinar los monolitos, dado que el agua tiende a avanzar relativamente más adherida a las paredes de los poros al aumentar el gradiente de pendiente. Este efecto es descrito teóricamente por Miyazaki (2006) como una refracción del flujo de agua.

Tanto Bodhinayake et al. (2004) como Casanova et al. (2003) en parcelas inclinadas observaron igualmente una disminución de Ks al aumentar el gradiente de pendiente, sin embargo, los primeros autores no obtuvieron resultados concluyentes con tensioinfiltrómetro, pero sí al emplear cilindro infiltró metro.

En concordancia con lo obtenido por algunos autores (Ventalla et al., 2005; Casanova et al., 2000a), al comparar la pendiente de las rectas para cada región de poros, se puede apreciar (Cuadro 2, Figura 4) una notable diferencia entre αΜ y αm con, salvo en los suelos de textura más extrema (SA y SaF), evidenciándose una tendencia más lineal que bilineal.

Este comportamiento se puede atribuir a que dichos suelos presentarían una relativamente mayor homogeneidad en el tamaño de sus poros que el resto de los suelos, de texturas medias (SFA y SFa).

 

CONCLUSIONES

A diferencia de otras investigaciones que evalúan el efecto del gradiente de pendiente en la conductividad hidráulica saturada (Ks) del suelo midiendo en distintas posiciones de las laderas con evidentes cambios en los suelos, la metodología aquí utilizada de inclinar los mismos suelos, permite corroborar que existe una disminución de la magnitud de esta propiedad al incrementarse el gradiente  de pendiente,independientemente de la clase textural.

Al operar el tensioinfiltrómetro inclinado y proceder a realizar un ajuste gravitacional a los potenciales controlados, el pivote (Ψb) disminuyó, obteniéndose conductividades hidráulicas menores a las medidas sin ajuste. Estos resultados obedecerían a las diferencias entre la Ks vertical (suelos planos) y la Kfs horizontal o lateral que comienza a operar por efecto del gradiente de pendiente; también se puede atribuir a la mayor resistencia friccional o viscosa que se genera al inclinar el suelo, dado que el agua tiende a avanzar en una forma menos libre, lo que es reconocido como una refracción del flujo de agua. Por otra parte, de acuerdo a los modelos bilineales de regresión, que dan cuenta de dos sistemas porosos (macroporos y mesoporos) para la conductividad hidráulica insaturada (KΨ), solo los suelos de clase textural más extrema (arcillosa y areno francosa), presentaron una forma más lineal, debido a la mayor homogeneidad del tamaño de poros que los caracteriza.

Finalmente, se estima que es posible emplear infiltrómetros de disco en laderas inclinadas, al menos hasta un 25% de gradiente de pendiente, para determinar la conductividad hidráulica de los suelos, si se efectúa la corrección de los potenciales hídricos controlados.

 

REFERENCIAS

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