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domingo, 31 de octubre de 2010

El Agua en el Suelo


El agua procede de la atmósfera en forma de lluvia, nieve, granizo ó humedad atmosférica. Otras fuentes son infiltraciones laterales, ascenso desde capas freáticas, etc. Las soluciones del suelo proceden de la alteración de los minerales y de la materia orgánica. 

Ciclo del Agua

El agua puede existir en todas sus fases dentro del suelo. El agua líquida puede aparecer como agua higroscópica, capilar o gravitacional

La higroscópica y la capilar, están sostenidas por fuerzas moleculares en delgadas películas alrededor de las partículas del suelo. Cuanto más seco es el suelo y menores los intersticios entre las partículas, más fuertes son las fuerzas que sostienen ésta agua. 
El agua higroscópica (o molecular) es la fracción del agua absorbida directamente de la humedad del aire. Esta se dispone sobre las partículas del terreno en una capa de 15 a 20 moléculas de espesor y se adhiere a la partícula por adhesión superficial. El poder de succión de las raíces no tiene la fuerza suficiente para extraer esta película de agua del terreno. En otras palabras esta porción del agua en el suelo no es utilizable por las plantas) no está prácticamente disponible, y es sostenida por presiones (manométricas) negativas de 31 a 10 kbars

El agua capilar (fracción del agua que ocupa los microporos en el suelo. Se mantiene en el suelo gracias a las fuerzas derivadas de la tensión superficial del agua. Esta fracción del agua es utilizable por las plantas, es la reserva hídrica del suelo) aparece cuando hay más agua disponible para llenar los espacios entre las partículas de suelo, pero de una manera discontinua. Esta agua es sostenida por presiones que van desde 0.33 a 31 bars, y puede estar conectada directamente con aguas subterráneas o en paquetes aislados. 

El agua capilar forma la zona capilar continua antes mencionada y puede ser usada por las plantas. Si las presiones negativas tienen magnitudes mayores que alrededor de 15 bars, las raíces de las plantas no pueden extraer el agua. Este nivel de sequedad se denomina punto de marchitamiento (wilting point), y la vegetación no puede sobrevivir a menores contenidos de humedad. A medida que la humedad crece, se alcanza el punto que la gravedad es suficientemente fuerte como para contrarrestar estas presiones negativas (entre 0 y 0.33 bars). 

La máxima cantidad de agua que el suelo puede sostener contra la gravedad se denomina capacidad de campo. El agua en exceso de la capacidad de campo, percola hacia abajo de la columna de suelo, y alcanza finalmente la zona de saturación limitada por un lecho de rocas, o algún otro material impermeable. 

Es razonable esperar que la humedad del suelo a cierta profundidad en la capa intermedia no varíe mucho con el tiempo. La profundidad exacta dependerá naturalmente de la historia del sitio, pero es del orden de algunos metros en la mayoría de las regiones. En áreas húmedas o bien irrigadas, la capacidad de campo es una buena estimación de la humedad para esta capa.

El agua gravitacional es la fracción del agua que ocupa los macroporos del suelo, saturándolos o no. Esta fracción del agua en el suelo se mueve impulsada por la fuerza de la gravedad, la que tiende a desplazarla hacia abajo. Esta fracción del agua del suelo puede temporalmente ser utilizada por las plantas mientras se encuentre en el estrato reticular de las plantas.

El agua ejerce importantes acciones, tanto para la formación del suelo (interviene decisivamente en la meteorización física y química, y translocación de sustancias) como desde el punto de la fertilidad.

Flujo de Agua en el Suelo
Entiéndase el término 'napa' como 'acuífero'  (Dr. Rafael Fernández Rubio)

La fase líquida circula a través del espacio poroso, queda retenida en los huecos del suelo, y está en constante competencia con la fase gaseosa. Los cambios climáticos estacionales, y concretamente las precipitaciones atmosféricas, hacen variar los porcentajes de cada fase en cada momento. La fase líquida del suelo está constituida por el agua y las soluciones del suelo.

El suelo es un material complejo compuesto por materia presente en sus tres fases. La fase sólida está compuesta por minerales y materia orgánica; la fase líquida por agua y la fase gaseosa está formada esencialmente por aire y vapor de agua. 

El complejo sólido-aire, constituye la trama de las rocas y el soporte de las aguas subterráneas a la manera de esponja. 

La fase sólida rara vez es compacta, sino que presenta espacios vacíos o poros ocupados por gases o líquidos. Los elementos de la fase sólida pueden encontrarse en dos formas: 

  1. Sólidamente trabados entre sí, formando rocas coherentes o compactas (por ejemplo calizas). 
  2. Aproximadamente libres, formando rocas incoherentes o porosas (por ejemplo arenas y gravas). 

Relaciones volumétricas y gravimétricas del suelo

Las rocas compactas permitirán el flujo de agua solo a través de fisuras, mientras que en las rocas porosas, el flujo se dará a través de intersticios intergranulares o poros. Las propiedades hidráulicas que caracterizan la relación sólido-aire y sólido-aire-agua son la porosidad y la permeabilidad, respectivamente.



En función del tamaño de las partículas que conforman el suelo, este puede clasificarse granulométricamente.

Clasificación del suelo según el diámetro de partícula

CLASIFICACIÓN DEL AGUA EN EL SUELO

El agua del suelo puede clasificarse desde un punto de vista físico o desde el punto agronómico.

DISTRIBUCIÓN DEL AGUA EN EL SUELO
La distribución vertical idealizada de las zonas de humedad en el suelo, asumiendo una porción de terreno permeable, homogénea (de granulometría uniforme) e isótropa (sin estratificación, con permeabilidad uniforme en todas las direcciones) sobre un manto horizontal impermeable (por ejemplo, roca) y considerando una única fuente de entrada de agua proveniente de la infiltración en superficie (no se considera flujo de agua subterráneo), es la siguiente:

Distribución ideal del agua en el suelo

Zona de evapotranspiración (ETP): Es la zona superior, comenzando desde la superficie del terreno; se extiende hacia abajo, acompañando la capa de las raíces de las plantas. Está sometida a alteración del suelo y en ella se realiza la evapotranspiración. Normalmente, esta zona se encuentra en estado no saturado (parte de los poros de la tierra están llenos de aire, además de agua). Durante período de lluvia (o irrigación), esta zona puede volverse saturada. El espesor de esta zona es función del suelo, el clima y la cobertura vegetal, en zonas templadas alcanza 1.00 m a 2.00 m de profundidad y excepcionalmente 3.00 m.

Zona de retención: El volumen de agua es igual al coeficiente de retención específico y el peso del agua es igual a la capacidad de campo. El agua de esta zona no presenta ningún vínculo hidráulico con las capas inferiores. Es una zona de conexión con la región usualmente saturada del sistema tierra-roca. Esta zona intermedia está normalmente no saturada, excepto en períodos de extrema precipitación. Su espesor medio puede variar entre 0.60 m y 2.00 m, alcanzar los 15.00 m o, por el contrario, faltar completamente.

Franja capilar: La zona capilar yace por encima de las capas bajas saturadas. Su nombre proviene de la existencia de agua que asciende debido a las fuerzas capilares. La capilaridad es una función del tipo de sistema tierra-roca. La columna de agua ascendente puede ser una fracción de un 1.00 m para arenas, hasta decenas de metros para arcillas finas. La posición de la franja capilar se ve afectada por las fluctuaciones de la capa acuífera, pero no su potencia. La potencia varía de manera inversamente proporcional a la granulometría, con valores entre 30 y 60 cm en las arenas y de hasta 3.00 m en los limos.

Zona saturada: Llamada capa o manto acuífero. En el ejemplo considerado, se denomina también acuífero libre o freático (en la superficie superior o nivel freático, la presión del agua es igual a la presión atmosférica). Todos los espacios vacíos están ocupados enteramente por agua. El coeficiente de saturación alcanza el 100 %. De esta zona puede extraerse agua mediante el uso de métodos convencionales (bombas).

Desde el punto de vista físico:
Agua higroscópica: Es el agua adsorbida directamente de la humedad atmosférica, forma una fina película que recubre a las partículas del suelo. No está sometida a movimiento, no es asimilable por las plantas (no absorbible). Está fuertemente retenida a fuerzas superiores a 31 atmósferas (pF = 4.5).
Agua capilar: Contenida en los tubos capilares del suelo. Dentro de ella distinguimos el agua capilar absorbible y la no-absorbible.

  1. Agua capilar no absorbible: Se introduce en los tubos capilares más pequeños <0.2 micrones. Está muy fuertemente retenida y no es absorbible por las plantas; la fuerza de succión es de 31-15 atmósferas (pF de 4.5 a 4.2).
  2. Agua capilar absorbible: Es la que se encuentra en tubos capilares de 0.2-8 micrones. Es agua absorbible por las plantas, por lo tanto agua útil para la vegetación, constituye la reserva durante los períodos secos. Está fuertemente adsorbida; la fuerza de retención varia entre 15 a 1 atmósferas, y se extrae a pF de 4.2 a 3.

Agua gravitatoria: Es el agua que pierde un suelo que ha sido saturado por gravedad, es decir, no está retenida en el suelo. Se habla de agua gravitatoria de flujo lento y agua gravitatoria de flujo rápido en función de su velocidad de circulación.

  1. De flujo lento: La que circula por poros comprendidos entre 8 y 30 micrones de diámetro.  Se admite que está retenida a un pF que varia desde 3 a un valor que varia entre 1,8 y 2,5. Tarda de 10 a 30 días en atravesar el suelo y en esos días es utilizable por las plantas.
  2. De flujo rápido: La que circula por poros mayores de 30 micrones. Es un agua que no queda retenida en el suelo y es eliminada rápidamente al subsuelo, pudiendo alcanzar el nivel freático. Es un agua inútil, ya que cuando está presente en el suelo los poros se encuentran totalmente saturados de agua, el medio es asfixiante y las raíces de la mayoría de las plantas no la pueden tomar.

Agua Gravitacional

Desde el punto de vista agronómico:
Capacidad máxima: Contenido hídrico equivalente a todos los poros saturados de agua. No existe fase gaseosa. La porosidad total del suelo es igual al volumen total de agua en el suelo.

Capacidad de retención: Cantidad máxima de agua que el suelo puede retener. Representa el almacenaje de agua del suelo. Se produce después de las precipitaciones atmosféricas cuando el agua gravitatoria ha percolado; no obstante, durante ese período se producen pérdidas por evaporación, absorción de las plantas, etc. Por ello es muy difícil de medir. Hay una medida equivalente que se realiza en el laboratorio. Corresponde al agua higroscópica más la capilar, es decir el agua que ocupa los poros de hasta 8 micras.

Capacidad de campo: Cantidad de agua que puede tener un suelo cuando se pierde el agua gravitatoria de flujo rápido, después de pasados unos dos días de las lluvias (se habrá perdido algo de agua por evaporación y consumo de las plantas). La fuerza de retención del agua variará para cada suelo, pero se admite generalmente una fuerza de succión de 1/3 de atmósfera o pF=2,5 y corresponde a poros < 30 micras (para algunos suelos el pF de 1.8 es más representativo)..

La capacidad de campo consiste en tomar la humedad de una muestra extraída en el campo dos días después de un lluvia importante. Generalmente se considera que así se obtiene una humedad en exceso (especialmente para los suelos de texturas finas) debido a que incluiría parte del agua de desagüe lento. Por esto es que se aconseja medir la capacidad de retención en el laboratorio a través de la determinación de “humedad equivalente”.

Punto de ruptura del lazo capilar: A medida que el suelo continúa perdiendo humedad por evaporación y consumo de los vegetales, la película de agua que está adsorbida a las partículas y agregados se adelgaza cada vez más y en consecuencia el agua es cada vez retenida con mayor fuerza. El proceso continúa hasta que la película de agua pierde continuidad. La importancia de este punto radica en que se considera que los movimientos del agua son ya muy lentos, por lo que la planta encuentra la dificultad de absorberla por lo que debe moderar su ritmo vegetativo. Para suelos de textura media se considera este punto equivalente a aproximadamente un 70 % de la capacidad de retención.

Punto de marchitez: Representa el contenido de humedad de un suelo que se deseca a un nivel tal que el agua que queda está retenida con una fuerza de succión mayor que la de absorción de las raíces de las plantas. Es el agua que queda retenida a una presión de 15 atmósferas (pF = 4.2), en los poros de hasta 0.2 micras. El agua contenida corresponde al agua higroscópica más el agua capilar no absorbible. Se distinguen aquí el punto de marchitez temporario a aproximadamente 10 atm. (la planta se recupera de su estado de marchites si se entrega agua al suelo) y el punto de marchitez permanente (el estado de marchitez de la planta es irreversible).

Punto de higroscopicidad: Es el agua que el suelo toma del aire húmedo. Está retenida a tensiones mayores a 30 atmósferas.

Agua útil: Representa el agua en capacidad de campo menos el agua existente en el punto de marchitez permanente. Es decir el agua retenida en los poros entre 0.2 y 8 micrones.

De acuerdo a su granulometría, los suelos presentan diferentes características respecto del contenido de agua:

  • Suelos arenosos: muy baja capacidad de campo, pero casi toda su humedad es agua útil pues la cantidad de agua en punto de marchites es muy pequeña.
  • Suelos arcillosos: muy alta capacidad de campo, pero con gran cantidad de agua inútil en punto de marchitez.
  • Suelos de granulometrías equilibradas (francos): buenas características al compensarse los efectos de las arenas y de las arcillas.

Valores típicos de agua en el suelo para distintos tipos de suelos

El agua del suelo se puede clasificar cuantitativa o cualitativamente según su estado de energía utilizando conceptos termodinámicos.

El concepto de estado energético es tan importante o más que la cantidad de agua del suelo, pues predice el comportamiento, ya que el movimiento del agua está regulado por su energía. Es decir que dos suelos con igual contenido de agua no darán necesariamente iguales respuestas a una misma planta, puesto que la disponibilidad de agua para la planta depende de su estado energético.

CARACTERIZACIÓN ENERGETICA DEL AGUA DEL SUELO

El concepto de estado energético es tan importante o más que la cantidad de agua del suelo, pues predice el comportamiento, ya que el movimiento del agua está regulado por su energía.

El agua en el suelo tiene varias energías y su medida se expresa en unidades de potencial (energía por unidad de masa). Los tipos de energía más importantes son: energía potencial (es la que tiene un cuerpo por su posición en un campo de fuerza), energía gravitacional (es la que tiene un cuerpo en función de su posición en el campo gravitacional), energía cinética (debida al movimiento), energía calorífica, energía química, energía atómica, energía eléctrica... La energía libre será la suma de todas estas energías.

Energía Libre = Ep + Eg + Ec + Ecal + Eq + Ea + Ee +..

Se parte del concepto de energía libre, la que puede definirse como: "La capacidad de una sustancia de realizar un trabajo (fuerza por distancia) desde un estado de referencia a otro cualquiera".

Como no es posible determinar los valores absolutos, se trabaja con las diferencias de energía libre que en el caso de los suelos es: "la cantidad de trabajo que debe ser efectuado por unidad de masa de agua con el objeto de transportar, reversible e isotérmicamente una cantidad infinitesimal de agua desde un reservorio, situado en una elevación especificada y bajo presión atmosférica, hasta el agua del suelo".

Como resultado de esa energía libre, un cuerpo se puede desplazar o quedar en reposo. El grado de energía de una sustancia, representa una medida de la tendencia al cambio de ese cuerpo. Las sustancias sufren cambios para liberar y disminuir su energía.

Al conjunto de fuerzas que retienen el agua del suelo se llama potencial de succión. Tiene un sentido negativo y es el responsable de las fuerzas de retención del agua dentro del suelo, es igual al potencial matricial más el osmótico. Frente a él, está el potencial gravitacional que tiene un signo positivo y tiende a desplazar el agua a capas cada vez más profundas.

Cuando el potencial de succión es mayor que el potencial gravitacional, el agua queda retenida en los poros, y cuando el potencial de succión es menor que el gravitacional, el agua se desplaza hacia abajo.

La definición de energía libre, corresponde a lo que se conoce como la "diferencia de energía libre específica" y es sinónimo de "potencial hídrico total" (PHT).

El potencial hídrico total de un suelo generalmente posee valor negativo, ya que el agua del suelo está sometida a distintas acciones que disminuyen su energía libre. (Al conjunto de fuerzas que retienen el agua del suelo se llama potencial de succión).

Los factores considerados son cuatro y se los estudia por separado como componentes del PHT.

Potencial Matricial (PM): Es, salvo en los casos de suelos salinos, el más importante cuantitativamente y depende de la "atracción hacia el agua" ejercida por la fase sólida del suelo a través de mecanismos de adsorción y capilaridad. La atracción por adsorción se origina como consecuencia de superficie de sólidos descompensados eléctricamente. Las moléculas del agua actúan como dipolos y son atraídas, por fuerzas electrostáticas, sobre la superficie de las partículas de los constituyentes del suelo.

Adsorción de moléculas de agua
Capilaridad del agua en el suelo

El potencial matricial es debido a dos fuerzas, adsorción y capilaridad. La atracción por adsorción se origina como consecuencia de superficie de sólidos descompensados eléctricamente. Las moléculas del agua actúan como dipolos y son atraídas, por fuerzas electrostáticas, sobre la superficie de las partículas de los constituyentes del suelo.

Por otra parte en los microporos del suelo queda retenida el agua por fuerzas capilares.

Potencial Osmótico (PO): Es debido a las sales y por tanto es importante en suelos salinos. Se debe a la influencia de los solutos sobre la energía libre del agua. Cuando se ponen en contacto dos líquidos de diferente concentración la solución más concentrada atrae al agua para diluirse.

Ósmosis

Potencial Gravitatorio (PG) y Potencial Neumático (PN): Son de menor importancia y se deben a la acción de la gravedad en el primer caso (es positivo, tiende a desplazar el agua horizontes cada vez más profundos) y a las presiones efectuadas por la atmósfera y otras, en el segundo.

Cuando el potencial de succión es mayor que el potencial gravitatorio, el agua queda retenida en los poros, y cuando el potencial de succión es menor que el gravitatorio, el agua se desplaza hacia abajo.

PHT = PM + PO + PG + PN

De acuerdo a una convención internacional esos potenciales se simbolizan con la letra griega "psi(y) .

Es de destacar que algunos autores no consideran el potencial neumático, por ser de poca importancia, y en cambio introducen el concepto de potencial temperatura (PT). La temperatura obviamente, influye en varios aspectos del potencial total, ya que afecta la energía libre del agua del suelo.

De acuerdo a este concepto potencial hídrico total PHT, estaría compuesto por:

PHT = PM + PO + PG + PT

La dimensión de la energía libre es correspondiente a la de trabajo: ergio o julio.

Como el potencial hídrico total es la energía libre específica, es decir, trabajo sobre unidad de masa, las unidades son: ergio/gr.

Succión total del suelo: La determinación de la succión total de un suelo involucra la determinación de la succión matriz y de la succión osmótica, que corresponden a los potenciales matriz y osmótico del suelo, respectivamente.

La succión total no es exactamente igual al PHT, pero su importancia radica en que es la medida práctica de la succión que debe vencer la raíz para absorber agua. La succión se mide actualmente en Pascales, aunque se acepta la medida en barios, cm de altura de una columna de agua, etc.

0,33 atm = 33 KPa = 3,4 m col agua

Contenido hídrico del suelo: El contenido de humedad del suelo se define como: "la cantidad de agua perdida a 105-110 °C y se expresa en porcentaje de agua sobre la base de suelo seco". A veces también se expresa en volumen.

Capacidad hídrica del suelo: Es la cantidad de agua que tiene el suelo (contenido hídrico), debe expresarse en función de la fuerza a que es retenida, ya que su comportamiento va a ser muy distinto dependiendo de las fuerzas de retención a que se encuentre sometida. Efectivamente si la mayor parte del agua está débilmente retenida ésta se podrá mover y será asimilable para las plantas, mientras que si toda el agua está fuertemente retenida, carecerá de movilidad y será un agua inútil para las plantas.

La capacidad hídrica del suelo es entonces, el contenido hídrico que corresponde a una determinada succión total o a una determinada succión matriz. En este último caso se trata de la capacidad hídrica diferencial (CHD), que es la cantidad de agua que contiene el suelo a un determinado valor de succión matriz (SM).

Curvas de retención hídrica: La succión matriz es función del contenido de agua del suelo (mayor contenido de agua menor succión y viceversa), pero cada suelo posee una propia serie de valores de capacidad hídrica diferencial, por ello no existe un valor o ecuación general y debe determinarse para cada suelo en particular.

Si las determinaciones de contenido hídrico y de succión matriz se grafican; surgen las curvas de retención hídrica, en las que se utilizan distintas unidades (cm de altura de agua, pF (potencial capilar), bares, atmósferas, etc.) y que se conocen con distintos nombres (curvas de pF, de succión, etc). 

La curva de retención hídrica no es unívoca. Para una misma muestra de suelo, la curva obtenida no es la misma en una muestra húmeda que se va desecando (ciclo de secado) con respecto a la que se obtiene si se parte de la muestra seca y la vamos humedeciendo (ciclo de humedecimiento). Este distinto comportamiento del suelo según se encuentre en un periodo de desecación o de humectación en relación con la fuerza con la que el agua está retenida, es el fenómeno de histéresis, y se cree se debe al diámetro variable de los sistemas capilares de la masa del suelo.


Para un determinado contenido de humedad, cuando vamos desecando un suelo se necesita aplicar una succión mayor que cuando este se va humedeciendo. Por norma internacional las medidas de humedad y retenciones se calculan siempre desecando las muestras de suelo, previamente humedecidas.

CAPACIDAD DE CAMPO Y PUNTO DE MARCHITEZ PERMANENTE (wilting point)

De las primeras clasificaciones del agua del suelo, surgieron dos conceptos de aplicación práctica, que son la "capacidad de campo" y el “punto de marchitez permanente".

Capacidad de Campo (CC): Se la puede definir como "el contenido hídrico del suelo, luego de que el mismo haya sido saturado por la lluvia o por el riego y se ha vuelto muy lenta la percolación del agua gravitatoria (es ésta relativamente estable)". Esta situación se produce normalmente entre uno y tres días, después de la saturación.

De acuerdo a lo anterior, ésta no es una verdadera situación de equilibrio sino una condición en la que de no existir evaporación ni consumo por las plantas, el movimiento del agua es tan lento en este punto que el contenido hídrico no varía apreciablemente.

Se puede considerar que es el límite superior de retención de agua por parte del suelo, ya que el exceso se pierde más o menos rápidamente.

Si bien existen diferencias de opinión entre autores, y también entre suelos de texturas extremas, en general se considera que es el agua retenida por el suelo a una succión matriz de 0,3 bares.

Humedad Equivalente (HE): A principios de siglo, cuando era muy difícil determinar este valor, se desarrollaban métodos que daban un dato aproximadamente similar a la capacidad de campo por lo que se llamó a sus resultados humedad equivalente (HE).

Aunque se han desarrollado nuevas técnicas de campo y de laboratorio, esta determinación aún se utiliza.

Punto de Marchitez Permanente (PMP)Es "el contenido hídrico del suelo en el que las plantas se marchitan y ya no pueden recuperarse al agregar más agua".

Representa aproximadamente el límite inferior del contenido del agua del suelo que las plantas pueden absorber, aunque depende mucho de la especie vegetal considerada.

Para las plantas más comunes se encontró que es el agua retenida por una succión matriz oscilante a 10‑20 bares, en promedio 15 bares. Es importante destacar a manera de dato, que varios vegetales perennes y otra vegetación nativa presentan puntos de marchitez de hasta 66 bares.

CC: capacidad de campo (%) (contenido de humedad a 10-33 kPa)
PM: punto de marchitamiento permanente (%) (contenido de humedad a 1500 kPa)

Entre estos últimos valores considerados (CC & PMP) se encuentra lo que se llama "agua útil", es decir el agua aprovechable por las plantas.

Unidades Utilizadas en la Tabla:
Capacidad de Campo = (%) (contenido de humedad a 10-33 kPa)
Punto de Marchitez (o Marchitamiento) Permanente = (%) (contenido de humedad a  1500 kPa)


MÉTODOS PARA DETERMINAR LA HUMEDAD DEL SUELO

Para medir la humedad del suelo se efectúa por el método de la perdida de peso de una muestra húmeda tras eliminar el agua en estufa a 105ºC. Se van efectuando sucesivas pesadas hasta obtener valores constantes.

H= (Ph - Ps) / Ps x 100

donde, 
Ph = peso del suelo húmedo
Ps = peso del suelo seco

Esa cantidad de agua que tiene el suelo, debe expresarse en función de la fuerza a que es retenida, ya que su comportamiento va a ser muy distinto dependiendo de las fuerzas de retención a que se encuentre sometida. Efectivamente si la mayor parte del agua está débilmente retenida esta se podrá mover y será asimilable para las plantas, mientras que si toda el agua está fuertemente retenida, carecerá de movilidad y será un agua inútil para las plantas.

Para medir el potencial de succión existen varios métodos para utilizar en el campo o en el laboratorio.

a) Métodos de campo. Entre los métodos modernos, indirectos y utilizables en condiciones de campo, se puede mencionar la sonda de neutrones. Para determinaciones de succión matriz son utilizados los bloques de yeso o de Bouyoucos, los tensiómetros (ambos de campo). El más sencillo es el método del tensiómetro. Consiste en introducir en el suelo una bujía (porosa en su parte inferior, generalmente cerámica) llena de agua. La bujía está cerrada herméticamente y lleva acoplada un manómetro. Al succionar el suelo parte del agua de la bujía se produce en ella un vacío que se mide en el manómetro. Más que medir potenciales de succión refleja variaciones de este y sirve para controlar in situ la cantidad de agua retenida por el suelo y por tanto para el control de riego.

Tensiómetro

b) Métodos de laboratorio. El más universal es el método la placa de presión (o membrana de Richards). En este se somete a una muestra de suelo a una serie de presiones en una olla metálica conectada a un compresor. Cuando se iguala la presión que suministramos a la fuerza de succión, el agua sale del suelo. Las medidas de fuerzas de retención del agua del suelo llegan hasta 16.000 gr/cm2. Para simplificar los datos se utilizan unidades de pF que representan los valores de los logaritmos decimales de las fuerzas de succión medidas en gr/cm2 (una fuerza de 1000gr/cm2 equivale a un pF de 3). También son frecuentes las medidas expresadas en atmósferas.


El método clásico, directo y en última instancia de referencia, es el secado en horno a 105-110 °C.

Así, las medidas de humedad del suelo se acompañan de las fuerzas de retención correspondientes, por ejemplo, 35% de humedad a un pF de 2,5 y un 20% a un pF de 4,2. El estudio de la humedad de un suelo es mucho más completo si calculamos la curva característica que relaciona gráficamente los valores de humedades y las fuerzas de retención correspondientes. Pero esta curva no es unívoca. Para una misma muestra de suelo la curva obtenida no es la misma en una muestra húmeda que se va desecando (desorción) con respecto a la que se obtiene si se parte de la muestra seca y la vamos humedeciendo (sorción). Este distinto comportamiento del suelo según se encuentre en un periodo de desecación o de humectación en relación con la fuerza con la que el agua está retenida, es el fenómeno de histéresis. Para un determinado contenido de humedad, cuando vamos desecando un suelo se necesita aplicar un pF mayor que cuando este se va humedeciendo. Por norma internacional las medidas de humedad y retenciones se calculan siempre desecando las muestras de suelo, previamente humedecidas.

EL AGUA SUBTERRÁNEA


Los reservorios de agua subterránea explotables se denominan acuíferos. Una formación saturada de este tipo es explotable si puede entregar una considerable cantidad de agua con relativa facilidad a costos razonables. 
Esta es una propiedad que depende del tipo de suelo y de los orígenes de la formación. Los acuíferos se clasifican en confinados y no confinados (o nivel freático). 

Los acuicludos corresponden a una unidad geológica incapaz de transmitir cantidades significativas de agua bajo la acción de gradientes de carga hidráulica ordinarios. Una formación intermedia lo constituyen los acuitardos que son lo suficientemente permeables como para transmitir cantidades de agua significativas para el estudio de flujos de aguas subterráneas regionales, pero no suficientes como para permitir la implementación de pozos de producción.

Acuífero no confinado (en 'Escorrentía Subterránea' - U. Complutense de Madrid)

Luego de perforar un pozo que penetra un acuífero no confinado (nivel freático), el agua aparecerá en el nivel que define la superficie piezométrica donde la presión de flujo sea igual a la atmosférica. Estos acuíferos tienen una superficie libre, que puede estar conectada directamente a una corriente superficial o a otras aguas. El agua en los acuíferos freáticos proviene de recargas de precipitación pluvial sobre el acuífero, de conexiones con aguas superficiales, y/o de otros acuíferos.

Acuífero confinado (en 'Escorrentía Subterránea' - U. Complutense de Madrid)

Los acuíferos confinados no tienen una superficie libre. Los lechos confinantes pueden ser completamente impermeables (acuífugos) o `llovedizos' (acuicludos). Luego de perforar un pozo que penetra un acuífero confinado, el agua se elevará hasta un cierto nivel, denominado altura piezométrica, que es igual a la elevación del techo del acuífero por encima de un nivel de referencia más la presión en el acuífero. Si esta altura se eleva por encima del nivel del suelo, entonces se tendrá un pozo artesiano del que fluye agua espontáneamente. Estos acuíferos se recargan a través de afloramientos (áreas donde el sistema del suelo se expone a la superficie) o a través de acuicludos. Este tipo de recarga puede ser limitado. Muchos acuíferos confinados poseen 'aguas fósiles' depositadas en tiempos geológicos pasados.

Si una formación roca-suelo es un acuífero, acuífugo o acuicludo, depende fuertemente de sus orígenes geológicos e historia. La información geológica nos dice mucho sobre las propiedades hidráulicas críticas, tales como la permeabilidad y la porosidad. Los acuíferos con lechos rocosos no son generalmente muy productivos. Los depósitos de sedimentos consolidados (arenisca o 'sandstone') son en general los mejores acuíferos potenciales.

Estos depósitos y otras rocas sedimentarias fuertemente aglutinadas son propensos a resquebrajarse y fracturarse. Las fracturas y las grietas pueden también desarrollarse debido a la disolución del material aglutinante. La capacidad de retención de agua es básicamente proporcional al grado de fractura. Las rocas sedimentarias como la dolomita y la piedra caliza pueden tener muy poca permeabilidad intrínseca a través de sus poros, pero son propensas a disolverse y al desarrollo de fracturas, grietas o cavidades.

Otras formaciones rocosas de estructura volcánica o cristalina tienen poca permeabilidad inherente, pero podrían potencialmente contener y transmitir agua a través de sus fisuras y fracturas. Otro camino de transmisión pueden ser los contornos entre estratos de diferente origen geológico. Plegamientos, fallas y otras fuentes de esfuerzos geológicos pueden conspirar a reducir o incrementar las fracturas en una dada formación rocosa.

Los sedimentos no consolidados son generalmente los mejores acuíferos. Estos depósitos son usualmente de origen fluvial o glaciar. Los sedimentos fluviales se depositan dentro y alrededor de cursos de agua existentes o ya no existentes. Ya que la capacidad de transportar agua depende del tamaño de las partículas, los elementos fluviales están normalmente bien clasificados y estratificados. Esto mejora la porosidad y la conductividad hidráulica, haciendo de estas formaciones muy buenos acuíferos.


Relación textura - porosidad del suelo
Rangos de valores de porosidad n en suelos y rocas
Propiedades hidráulicas de suelos típicos

k = conductividad específica (en cm²)
K = permeabilidad (en cm/seg)
n = porosidad

Agradecimiento:

El autor del blog agradece especialmente al doctor Rafael Fernández Rubio, por su gran colaboración con el presente tema.


Otros enlaces de interés:

Referencias:


NOTA: En cada página del blog, al pie de cada imagen y como parte del título, se encuentra el enlace a la fuente de la misma. En algunos casos donde no hay título, se debe hacer click (izquierdo) directamente sobre la imagen.

El autor del blog resalta que por tratarse de una colección de apuntes sobre geotecnia, es de gran importancia tener siempre presente la fuente de la información.

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3 comentarios:

  1. Con ánimo constructivo me permito sugerir que en figuras, tomadas de diferentes autores, se incluya su referencia precisa, por aquello de "dar al César lo que es del César".
    Por otra parte, me permitiría sugerirle substituir la palabra "napa" por "aquífero.
    En la tabla de capacidad de campo y punto de marchitez sería conveniente indicar unidades.
    Atentamente
    Rafael Fernández Rubio
    Catedrático Emérito de Hidrogeología
    Universidad Politécnica de Madrid

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    1. Atento saludo Profesor Rafael,

      Agradezco su muy generoso e importante aporte y comentario, que espero poder atender a la mayor brevedad, con el propósito de mejorar aún más la comprensión de la esencial disciplina de la hidrogeología, por parte de los iniciados en la geotecnia.

      Estoy plenamente de acuerdo con su vital axioma sobre el 'César', y ofrezco de antemano disculpas a quienes oportunamente no haya brindado el respectivo y merecido reconocimiento.

      Cordialmente,

      Santiago Osorio

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  2. De la manera más respetuosa me permito aclarar que cada imagen posee un título al pie, con el correspondiente enlace a la fuente de referencia.

    Cordialmente,

    Santiago Osorio

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