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CURSO DE
HIDROLOGIA
LA INFILTRACIN
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INTRODUCCIN
El anlisis de la infiltracin en el ciclo hidrolgico es de importancia bsica en la relacin entre la precipitacin y
el escurrimiento, por lo que en este captulo se
introducen los conceptos que la definen, los factores que
la afectan, los mtodos que se usan para medirla y el
clculo de dicha componente en grandes cuencas.
Definicin.
La infiltracin es el proceso por el cual el agua penetra desde la superficie del terreno hacia el suelo. En una
primera etapa satisface la deficiencia de humedad del
suelo en una zona cercana a la superficie, y
posteriormente superado cierto nivel de humedad, pasa
a formar parte del agua subterrnea, saturando los
espacios vacos.
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A medida que el agua infiltra desde lasuperficie, las capas superiores del suelose van humedeciendo de arriba haciaabajo, alterando gradualmente suhumedad. En cuanto al aporte de agua, elperfil de humedad tiende a la saturacinen toda la profundidad, siendo lasuperficie el primer nivel a saturar.
Normalmente la infiltracin proveniente deprecipitaciones naturales no es capaz desaturar todo el suelo, slo satura lascapas ms cercanas a la superficie,conformando un perfil tpico donde el valorde humedad decrece con la profundidad.
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ESTUDIO DE INFILTRACIN: TASA, INTERCEPCIN, LLUVIA
EFECTIVA, EFICAZ Y NETA.
Si se establece un balance hdrico para una tormenta queda la siguiente expresin: P = I + F + S + Q
P = precipitacin total, I = intercepcin de la vegetacin que impide que la lluvia alcance el suelo. Se denomina intercepcin total a todo el agua
de precipitacin que es detenida por el follaje vegetal. Una parte
mnima se evapora y regresa a la atmsfera, que se conoce como
intercepcin efectiva. F = Infiltracin, S = agua que queda en depsitos
superficiales, concavidades del terreno. Q = escorrenta superficial, que
va a ir a parar a los cauces directamente.
La relacin entre C. infiltracin e Intensidad de Precipitacin define :
Lluvia efectiva: Es la precipitacin que llega al suelo, descontado la
intercepcin efectiva.
Lluvia eficaz: Precipitacin que genera escurrimiento superficial, y
ocurre cuando la intensidad de precipitacin es mayor que la capacidad
de infiltracin durante el desarrollo de una tormenta.
Lluvia neta o en exceso: Es la parte de la lluvia eficaz que
efectivamente produce escurrimiento en forma directa, durante una
tormenta (intensidad de infiltracin).
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CONCEPTOS
Tasa de capacidad de infiltracin:
Volumen de agua que entra al suelo en un
rea unitaria por unidad de tiempo
Velocidad de infiltracin: Altura de
agua que entra al suelo por unidad de
tiempo. Es mayor en suelos arenosos que
en suelos arcillosos
Arenosos : 25,0 mm/hr
Francos : 10,0 mm/hr
Arcillosos : 2,5 mm/hr
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Capacidad de infiltracin.
Es la cantidad mxima de agua que puede absorber un suelo en determinadas condiciones,
valor que es variable en el tiempo en funcin de la
humedad del suelo, el material que conforma al
suelo, y la mayor o menor compactacin que tiene
el mismo.
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Al colocarlos sealtera el terreno
El recorrido del aguainfiltrada es diferente
al real
Para reproducir elproceso se deben
utilizar simuladores
de lluvia
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1. Simuladores de
lluvia: Aplican agua
constante reproducien-
do lo ms fielmente la
lluvia. Las gotas son
del tamao de las de
la lluvia y tienen una
energa de impacto
similar, comparndose
los efectos. Varan en
tamao, cantidad de
agua necesaria y
mtodo de medicin.
El rea varia entre 0.1
a 40 m2. La diferencia
entre P y E representa
la valoracin del
volumen infiltrado
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Ecuacin de Horton: Desarroll una ecuacin matemtica para definir la
curva de capacidad de infiltracin: f = fc + (fo - fc) e- K * t
Donde: fc: Capacidad de infiltracin inicial mxima.
fo: Capacidad de infiltracin bsica mnima.
K: Constante de decaimiento.
t: Tiempo desde el inicio del ensayo.
Los valores de fo, fc y K estn asociados a los suelos y a su cubierta
vegetal. Se determina fo en suelo completamente seco y fb en suelo
totalmente saturado.
El postulado de Horton establece que la curva que representa la capacidad de infiltracin se manifiesta de esa manera, solo y solo si
la intensidad de precipitacin es mayor que la capacidad de infiltracin
del suelo analizado. Este principio o postulado es debidamente
respetado en el ensayo de infiltracin de doble anillo, porque siempre
hay agua en superficie que satisface la capacidad de absorcin que
tiene el suelo en su grado mximo o potencial, cualquiera sea el
tiempo que transcurre desde el inicio del ensayo.
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Capacidad de infiltracin en grandes cuencas
La dificultad para calcular la infiltracin en grandescuencas ha conducido al empleo de diversos
ndices de infiltracin, que deben correlacionarsecon los factores indicativos de las condiciones
iniciales de humedad, y as calcular el hidrograma de
una cuenca en una tormenta determinada.
Para hallar la capacidad de absorcin media en unacuenca, se tiene que admitir :
1.que es uniforme en toda la cuenca;
2.que la escorrenta sea tambin uniforme en toda
ella;
3.que la lluvia sea uniforme en su distribucin
espacial.
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a)ndice de infiltracin media :
Se admite que para una tormenta dada y en lascondiciones iniciales que el valor de recarga de la
cuenca es constante durante toda la duracin de la
tormenta. En el grfico de la intensidad media de la
lluvia en funcin del tiempo, el ndice representala intensidad media por encima de la cual todo
excedente se transforma en escorrenta.
Es claro que el ndice integra, en formaexcesivamente simplificada, la accin de la
intercepcin de los diversos almacenamientos
superficiales y de la infiltracin
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REPRESENTACIN DEL INDICE DE PRDIDAS
Lluvia efectiva = escorrenta
Prdidas
Intensidad de lluvia (mm/h)
Tiempo en Horas
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Clculo Duracin en Exceso (de)
Todos los HU se calculan para una de
Una forma de calcularla es por medio del ndice de infiltracin (), en mm/hora.
Hiptesis:
La recarga en la cuenca debida a la tormenta en estudio permanece constante a travs de la duracin de la misma.
La intensidad de la lluvia es constante en toda la cuenca
Se necesita contar con:
Hietograma de la tormenta
Hidrograma de la tormenta
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Mtodo del ndice de infiltracin ()1. Del hidrograma de la tormenta aislada, calcular el
volumen de escurrimiento directo (Ve)
2. Conocida el rea de la cuenca (A), se obtiene la altura de precipitacin en exceso (hpe) como:
3. Se supone un ndice de infiltracin () y se localiza en el hietograma de la tormenta.
4. Se calcula la altura de precipitacin en exceso (hpe) correspondiente al valor supuesto para () en el paso anterior sumando los incrementos de las ordenadas del hietograma (hp -t) que se encuentren por encima de este valor supuesto
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5. Se compara la altura de precipitacin en
exceso hpe (paso 4) con la obtenida del hidrograma (paso 2), en caso de ser
iguales, el valor supuesto para ser el correcto:
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6. Pero, si hpe hpe , se supone otro valor de y se repiten los pasos 3, 4 y 5, hasta encontrar para un valor de la igualdad entre hpe y hpe (paso 5).
7. Una vez encontrado el , se localiza en el hietograma y se observa cual es la duracin en exceso de, que provoca la precipitacin en exceso hpe
hpei < : En estos casos se aceptaque todo lo que llueve se infiltra. No se
recomienda calcular el volumen infiltrado
a partir de esta grfica
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8. El volumen de
infiltracin real se
aplica la ecuacin:
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Ejercicio:
Calcular el ndice de infiltracin media () y la duracin en exceso (de), para una tormenta cuyo hietograma de precipitacin media se muestra en las columnas 1 a 3 de la tabla 5.5. Adems, se sabe que el volumen de escurrimiento directo deducido del hidrograma correspondiente para esa tormenta, es de 16106 m3 y el rea de la cuenca drenada es de 200 Km2.
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Ejercicio: Solucin
1. La altura de la precipitacin en exceso es:
2. Como el hietograma esta hecho para un intervalo de tiempo constante t = 3 hr, para facilidad de clculo y para ser localizado en dicho hietograma los valores supuestos para , debern expresarse en mm/3hr.
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Ejercicio: Solucin Se procede a dar valores a ,
hasta obtener del hietograma correspondiente hpe = 80 mm.
Por ejemplo si se supone un valor inicial de = 13 mm/3 hr del hietograma se obtiene hpe = 45.5 mm (columna 4 de tabla . Como: hpe =80 hpe = 45.5
se supone otro valor de . Anlogamente, para = 9
mm/3hr del hietograma se obtiene hpe = 62.4 mm (columna 5 de la tabla)
Para = 5.3 mm/3hr del hietograma se obtiene hpe= 80.1mm 80 mm
Se concluye que el valor buscado para es:
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Ejercicio: Solucin
En la figura se muestra el
hietograma de la
tormenta con el = 5.3 mm/3hr,
correspondiente a
una hpe = 80 mm.
En esta figura se
observa que la
duracin de la lluvia
en exceso es:
de = 18 hr
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METODO DEL US SCS
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Mtodo del ndice de curva
Este mtodo tiene en cuenta todas las prdidasposibles y el resultado proporciona la precipitacin
eficaz sobre una zona, que es la cantidad de agua
que no circula por el terreno y se queda retenida tras
una precipitacin P.
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Formulacin Matemtica del mtodo S.C.S.
La relacin fundamental estimada por el Soil Conservation Service de USA, es la siguiente:
donde:
F = infiltracin real (retencin actual)
S= infiltracin potencial o parmetro de retencin (S F)
Pe= escorrenta potencial o exceso de precipitacin (Pe Q)
Q = escorrenta real
eP
QF
S
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La ecuacin se considera vlida a partir del inicio de la ES
Toda la P ocurrida antes del inicio de dicho ES es considerada como prdida y
no contribuye al flujo superficial. Estas
prdidas son denominadas las
ABSTRACCIONES INICIALES (Ia) y
constan de varios componentes:
intercepcin, almacenamiento en
depresiones e infiltracin inicial
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En cuencas grandes, parte del agua infiltrada retorna como ESS o subterrneo, pero no son consideradas en el anlisis de tormentas puesto que tienen un tiempo de retardo suficientemente largo como para no influenciar el hidrograma de escorrenta directa. De acuerdo con lo anterior:
Pe = P Ia y F = Pe Q
En esta relacin se ignora la abstraccin inicial. Como S depende de Ia, el estudio de una gran cantidad de eventos permiti la obtencin de una relacin emprica entre dichas variables, definida por:
Ia = 0,2 S
donde: S = S + Ia S = infiltracin potencial mxima
SP
)(PQ
e
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e
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La Ecuacin que relaciona Ia con S, se basa en datos obtenidos experimentalmente en cuencas
grandes y pequeas. No es necesario mayor
exactitud, puesto que para poder fragmentarIa
en sus componentes, se requiere disponer de
datos que normalmente no estn disponibles.
Por la misma razn se considera una buena
aproximacin el coeficiente 0.2. Sustituyendo se
obtiene:
0.8SP
0.2S)(PQ
2
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La principal limitacin es estimar S, lo cual depende de factores edficos, condiciones
de la superficie y la humedad antecedente.
El SCS luego de analizar gran cantidad de hidrogramas de cuencas experimentales
ha estimado S en base a un valor llamado
CN (Nmero de Curva), que se relaciona
con S por la ecuacin:
mm10)CN
100025.4(S
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Nmero de
Curva:
Condiciones de humedad antecedentes
Uso de la tierra
Condiciones hidrolgicas del suelo como
indicador de la cobertura vegetal
Grupo hidrolgico del suelo como
indicador de infiltracin
Tratamiento superficial al que ha sido
sometido el suelo
La relacin entre la P y ES para estas tres condiciones es expresada mediante un determinado Nmero de Curva
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CONDICIONES INICIALES DE LA CUENCA
PRECIPITACIN INICIAL El volumen de lluvia en un perodo de 5 a 30 das antes a una tormenta determinada
CONDICIONES INICIALES condiciones que se producen en la cuenca con respecto al escurrimiento potencial
El S.C.S. reduce estas condiciones a los siguientes casos:
Condicin I: (suelo seco)Es el caso en que los suelos se secan sin llegar al punto de perder la cohesin; o sea, cuando se puede arar o cultivar en buenas condiciones (lmina 0-35 mm).
Condicin II: (suelo normal)Es el caso medio para crecidas anuales, es decir, las condiciones medias existentes antes de que se produjera la mxima crecida anual en dichas cuencas (lmina 35-50 mm).
Condicin III: (suelo hmedo)Cuando en los cinco das anteriores a la tormenta dada, se han producido lluvias fuertes o lluvias tenues con bajas temperaturas y el suelo est casi saturado (lmina mayor de 50 mm).
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Usos de la Tierra
El uso de la tierra tiene efecto sobre la respuesta de la cuenca a los fenmenos hidrometeorolgicos. A medida que se desforesta una cuenca aumentan los picos de crecida y baja el caudal de estiaje (caudal mnimo del ro, a partir del cual se miden las crecidas).
Dependiendo de la clasificacin de los suelos, uso de la tierra, tratamiento o prctica y de la condicin hidrolgica, se determina el Nmero de Curva a la condicin II de humedad antecedente (Tabla), ya que sta es representativa de la condicin del suelo.
Los valores de CN para las condiciones I y III se encuentran tabulados en la bibliografa o se estiman mediante las Ecuaciones
donde:
CN I = condicin de humedad antecedente seca.
CN II = condicin de humedad antecedente normal.
CN III = condicin de humedad antecedente hmeda
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Condicin Hidrolgica
El tipo de cobertura vegetal tiene un marcado efecto sobre el proceso de intercepcin, evapotranspiracin, escurrimiento superficial e infiltracin. Los diferentes tipos de vegetacin existentes sobre una cuenca, gobiernan el grado de influencia de la cobertura vegetal sobre estos procesos; sin embargo, durante la tormenta prevalece la infiltracin.
La condicin hidrolgica, como indicador de la situacin para la infiltracin, se usa como ndice de la cobertura vegetal; as, se define como sigue:
Buena : cobertura de 75%
Regular : entre 50% y 75%
Mala : menor del 50%
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Clasificacin Hidrolgica de
los Suelos
A: Bajo potencial de escorrenta. (Muy permeable) Suelos con alta tasa de Infiltracin, an muy hmedos. Consisten de arenas o gravas profundas, bien o excesivamente drenadas. Suelos con alta tasa de transmisin de agua.
B: Moderadamente bajo potencial de escorrenta. (Permeable) Con tasas de Inf. moderadas, an muy hmedas; moderadamente profundos a profundos, moderadamente bien drenados a bien drenados, suelos con texturas moderadamente finas a moderadamente gruesas y permeabilidad moderadamente lenta a moderadamente rpida. Son suelos con tasas de transmisin de agua moderadas.
C: Moderadamente alto potencial de escorrenta. (Impermeable) Con infiltracin lenta cuando muy hmedos, que impide el movimiento del agua hacia abajo; texturas moderadamente finas a finas; infiltracin lenta debido a sales o lcali o suelos con niveles freticos moderados. Pueden ser pobre o moderadamente bien drenados con estratos de permeabilidad lenta a muy lenta a poca prof. (50-100 cm).
D: Alto potencial de escorrenta. (Muy impermeable) Con infiltracin muy lenta cuando muy hmedos. S. arcillosos con alto potencial de expansin; nivel fretico alto permanente; con estrato arcilloso superf., con infiltracin muy lenta debido a sales o lcali y poco profundo sobre material casi impermeable. Tasa de transmisin de agua muy lenta.
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Por otro lado, la altura de lluvia total P se relaciona con la altura de lluvia efectiva
Pe, mediante las curvas mostradas en la
figura 1
Estas curvas se pueden expresar algebraicamente mediante la ecuacin
Que resulta ms prctica que usar la grfica
en forma especial para valores de P
pequeos
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NOTA:
Para tomar en cuenta las condiciones iniciales de humedad del suelo, se hace
una correccin al CN obtenido de la Tabla
3, segn la altura de precipitacin
acumulada cinco das antes de la fecha, de
la siguiente manera:
Si P5 < 2.5 cm, hacer correccin A
Si 2.5 < P5 < 5 cm , no hacer correccin
Si P5 > 5 cm , hacer correccin B
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N N con
correccin A
N con
correccin B
0 0 0
10 4 22
20 9 37
30 15 50
40 22 60
50 31 70
60 40 78
70 51 85
80 63 91
90 78 96
100 100 100
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Este mtodo es til y popular por cuanto en la mayor parte de las cuenca del pas
no estn aforadas con mucha frecuencioa
y no se cuenta con estos datos, por lo que
es necesario tener mtodos con los que
se pueda estimar la altura de lluvia
efectiva (hpe) a partir de la total y las
caractersticas de la cuenca.
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GR
AC
IA
S
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Ensayos de la infiltracin.
Mtodos directos:
1. Lismetros: Es un depsito enterrado, de paredes verticales, abierto
en su parte superior y relleno del terreno que se quiere estudiar. La
superficie del suelo est sometida a los agentes atmosfricos y recibe
las precipitaciones naturales. El agua de drenaje es medida, al igual
que la humedad y la temperatura del suelo a diferentes profundidades.
Los inconvenientes son la necesidad de perodos largos, la
reconstruccin del suelo no es adecuada ya que no se reproduce
exactamente igual el proceso que el mismo sufri debido al accionar de
la naturaleza y el hombre.
2. .
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3. Infiltrmetros: Para realizar el ensayo de infiltracin en el campo se
utiliza el infiltrmetro. Es un aparato sencillo, de uno o dos tubos de
chapa de dimetro fijo. Se clava en el suelo a una profundidad
variable, se le agrega una cierta cantidad de agua y se observa el
tiempo que tarda en infiltrarse.
Tubos: Es un tubo de cilndrico de 0,20 a 0,25 cm de dimetro y un alto de 0,60 m, que se hinca en el suelo, midindose el descenso del
agua, con el principal inconveniente que el agua infiltrada por el
crculo del fondo, en las zonas del suelo a los lados del aparato
participan tambin en la infiltracin; dando medidas superiores a la
realidad.
Infiltrmetros: Son dos anillos concntricos, usndose el interior, de 23 cm. de dimetro para determinar la velocidad de infiltracin,
mientras que el exterior de 35 cm se inunda a las mismas
profundidades para disminuir los efectos de frontera en el anillo
interior. Los anillos se insertan en el suelo a la profundidad mnima
necesaria para evitar las fugas de los mismos. La medicin es menor
que la anterior y ms concordante con la capacidad real del suelo.
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El mtodo de Muntz trabaja con los mismos anillos pero cambia la forma de medir: junto al cilindro interior se entierra
una punta, colocndose una determinada cantidad de agua
por encima y repitiendo la medicin en intervalos de tiempo
y descenso del agua.
Los principales inconvenientes, aparte del carcter local de la experiencia, son que el suelo se modifica al clavar el tubo,
y no hay efectos de compactacin, ni de arrastre de finos, ni
del aire.
Se aclara que el terreno no es preparado para el ensayo de infiltracin, si no que se hace sobre el terreno natural. Como
la medicin vara segn el estado de humedad inicial
existente al momento del ensayo, deben realizarse una serie
de ensayos para distintos grados de humedad
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Mtodos indirectos: Se determina la capacidad de infiltracin
considerando una cuenca perfectamente controlada, con datos
precisos de precipitacin, evaporacin y escorrenta, se puede
determinar la infiltracin.
Ensayo de infiltracin: Los ensayos de infiltracin permiten conocer la variacin de la capacidad de infiltracin en funcin del
tiempo, decreciente a medida que transcurre el mismo.
Los ensayos ms simples y difundidos son los que se desarrollan con los anillos concntricos. Los datos obtenidos de campo se
vuelcan en una planilla registrndose las distintas alturas de agua y
los tiempos correspondientes. Los intervalos de tiempo dependen
del suelo donde se hace la medicin. Con los datos de altura y
tiempo se obtienen los deltas de ambos.
La capacidad de infiltracin se obtiene haciendo el cociente entre cantidad de agua infiltrada y el intervalo de tiempo: f = Variacin
altura / Variacin de tiempo.
Se obtienen dos curvas: De lmina acumulada, y la curva de capacidad de infiltracin, ambas en funcin del tiempo:
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Ecuacin de Horton: Desarroll una ecuacin matemtica para definir la
curva de capacidad de infiltracin: f = fc + (fo - fc) e- K * t
Donde: fc: Capacidad de infiltracin inicial mxima.
fo: Capacidad de infiltracin bsica mnima.
K: Constante de decaimiento.
t: Tiempo desde el inicio del ensayo.
Los valores de fo, fc y K estn asociados a los suelos y a su cubierta
vegetal. Se determina fo en suelo completamente seco y fb en suelo
totalmente saturado.
El postulado de Horton establece que la curva que representa la capacidad de infiltracin se manifiesta de esa manera, solo y solo si
la intensidad de precipitacin es mayor que la capacidad de infiltracin
del suelo analizado. Este principio o postulado es debidamente
respetado en el ensayo de infiltracin de doble anillo, porque siempre
hay agua en superficie que satisface la capacidad de absorcin que
tiene el suelo en su grado mximo o potencial, cualquiera sea el
tiempo que transcurre desde el inicio del ensayo.
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VALORES REPRESENTATIVOS
DE fo , fc y k.
Tipo de Suelo
Valor del parmetro
fb mm/h fo mm/h k min.-1
Desnudo 280 6-220 1.6
Agrcola estndar con
materia orgnica.900 20-290 0.8
Pantanoso 325 2-20 1.8
Arenoso fino desnudo 210 2-25 2
Arcilloso con materia
orgnica.670 10-30 1.4