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INVESTIGACiÓN y TECNOLOGíy
Estudio de las técnicas nucleares aplicadas a la medición
de la humedad del suelo
Fecho de recepción : febrero 20 de 2007 rocho de aceptación: a bril 24 de 2007.
I Docente investigador del Grupo Tecnoambiental
1 Auxiliar de Investigación. 3 Auxiliar de Investigación.
•
RESUMEN
• Ing. Ernesto Torres Quintero
Yozmín Medina/
Jamed Gonzólez
Este trabajo se efectuó dentro de uno visión Teórico-práctico a través de la
investigación del Grupo TECNOAMBIENTAL; en él se muestran los bondades que
presenta la Sonda de Neutrones como una alternativo para ser utilizada en el estudio
de lo humedad del sue lo y su fóci l aplicac ión en lo agricul tura, lo hidrogeo logia ,
la Ingeniería Ambientol entre ofras.
Para llevar a cabo dicho investigación se optó por uno metodología basada en lo
compilación de información técnico disponible del equipo, toles como: principio
de funciona miento, venta jas, desventajas y procedim ientos de ca libración y luego
se realizó con lo Sonda un trabajo en campo.
Los datos obtenidos con la Sondo de Neutrones fueron comparados con los métodos
convenc iona les de laboratorio para lo determinación de lo humedad del sue lo.
Como conclusión se compruebo que el equipo Sonda de Neutrones detecto
variaciones de humedod en rangos de 10 cms de distancio con respecto o lo
fuente y que el cambio de d iómetro en lo perforación y en el entubamiento afecta
significa ti va mente los registros de la sondo y por consiguiente su calibrac ión.
Ademós, se comprobó que en los registros obtenidos por lo Sondo de Neutrones,
el diámetro de entubamiento y de perforación más adecuado es el de 2 "; porque
presentan uno mayor simil itud con los registros obtenidos por otros técnicos de
laboratorio .
INTRODUCCiÓN
Dentro de las técnicos de testificación de sondeos, la técnico NEUTRÓN es la que
posee un gran interés dentro de la hidrología, ya que proporciono directamente el
contenido de humedad del suelo; es la único técnica no destruct iva que permite
medir este parámetro a cualquier profundidad con suficiente exactitud. Su uso se
inició aproximadamente en el año de 1940. Lo SONDA DE NEUTRONES es utilizado
principalmente poro realizar estimaciones espaciales y temporales del contenido
de agu a en el suelo, genera lmente
en lo zona no saturada, a través de
seguimientos y monitoreos periódicos o
las variaciones de humedad.
l . Testificación neutrónneutrón
1.1 Descripción del equipo
El equipo se halla constitu ido de tres componentes fundamentales, como
se muestra en lo Fig. 1 i los elementos
básicos que la componen son:
o) Fuente de neutrones: Lo fuente
utilizado se halla formada por 241Americio y polvo de Berilio,
la cual emite neutrones rápidos y
presento ventajas como uno ba jo
energía e intensidad de radiación de
Figura 1. Sonda de neutrones.
SOmO (mi licurios) y un a lto periodo
de semidesintegración (450 años).
b) Detector: El detector utilizado es
un deteclor proporcional llenado
con 3He; es muy sensible a los
neutrones térmicos.
e) Sistema Electrónico: el sistema
electrónico incorporado, consiste en
un circuito formador de impulsos y
un cable que sirve de conexión entre
la sonda y el sistema de su pe rficie,
el cual posee unos retenedores
paro llevar un control sobre la
profundidad en la que se encuentra
la fuente en interva los de 10 cm.
La unidad de medida del equipo se
denomina CPS (Cuentas por segundo) y su intervalo de leclura es de 30 segundos.
1.2 Principio de funcionamiento
El funcionamien to de la SONDA
DE NEUTRON ES está basado en la moderaci ón de los neutrones rápidos
emitidos radialmente por una fuente
radiactiva . Se define, entonces,
como neutrones rápidos a aquel los
que tienen alta energía, de 0.1 a 15 MeV. (megaelectrón volt) y alcanzan velocidades de hasta 1600 km/s .
A medida que los neutrones interactúan
con los núcleos de lo materia son
dispersados al azar; en codo colisión
existe una liberación de energía y un
cambio de trayectoria; este proceso
se conoce como "termalización de neutrones", por la conversión de la
energía cin ética (velocidad) en energía
térmica (color) que tiene lugar en dicho
proceso. Neutrones lentos, por lo tonto,
son aquellos ya termalizados, cuya
energía es del orden de O a 1000 eV
(electrón voll), y son aquellos registrados
por el detector. Esto interacción sigue
la Ley de Conservación de la Energía o
Momentum, ("10 energía no se creo ni se
destruye, únicamente se transforma").
Los neutrones emitidos por la fuente
son retardados por colisiones repetidas
con los núcleos de los átomos del suelo
(Dispersión), o son absorbidos por otros núcleos. La transferencia de energía
depende del número de colisiones y la
masa atómica del núcleo chocado; es
decir, un neutrón rápido pierde mayor
cantidad de energía o se termaliza,
mientras menor sea la masa atómica
del núcleo colisionado; poro lograr este
objetivo, por eiemplo, requiere hacerlo
67 veces con ótomos de litio, 114 con
carbono y 150 con oxígeno.
Algunos átomos comunes en el suelo
pueden dispersar neutrones can boja
pérdida de energía debido o que su
masa atómica es mayor que la del
neutrón. l/Sin embargo, si los neutrones
chocan con un átomo de hidrógeno su
energía es reducida aproximadamente
a la mitad, porque lo masa del
núcleo del Hidrógeno es igual o
lo del neutron"1, siendo necesarias
aproximadamente 20 colisiones para
termal izar un neutron de 2 MeV en un
tiempo menor a un milisegundo. Por
lo tanto la concentración de neutrones
térmicos es relativamente proporcional
01 contenido de humedad en el suelo.
La fuente de neutrones rápidos en sondas
modernas es de 241Am combinado con
Be. EI241Am radiactivo emite una partícula
alfo que es absorbido por el núcleo del berilio, el cual emite neutrones rápidos.
Lo fuente estó soldado dentro de uno
doble encapsulación de acero inoxidable.
Done Jacob H. Melhods of Soil Analysis. Pad 4. Physical Methods. [en línea] URL: www. cprl.ars.usda .gov. Daw Park, South Australia (Consu lta: 13 de agosto, 2003).
INVESTIGACiÓN y TECNOLOGiy
Su actividad es comúnmente de 0.4 y 1.9
GBq (GigaBequerelios). El detector es el
encargado de revertir lo reacción nuclear
que crco los neutrones rápidos.
El núcleo del 3He absorbe un neutrón
térnl ico y em ite una partícula alfo. Por
lo diferencio de volto le generada en el
cátodo de l tubo detector, las partículas
alfa son dirigidas a un circuilo que
permite registrarlos electrónicamente; el
valor numérico observado se denomina
"cuentas por minuto" y es proporcional
al contenido de hidrógeno presente en
el suelo; por lo tanto equivalente al
contenido de humedad del mismo.
1.3 Métodos de calibración
Debido o lo gran variedad de suelos, es
recomendable realizar una ca lib ración
específica poro el tipo de suelo en
estudio; en seguido se resumen algunos
métodos de colibración lomados de Methods of Soil Anolysis. Part 4. Physical
Melhods; cado uno se recomienda para un uso en particular.
J .3. J. Método J.
Calibración en laboratorio. Suelos uniformes: Cuando el suelo es uniforme
hasta uno profundidad considerable
es posible realizar la ca libración en el
laboratorio. Poro eso es reco mendable
excavar aprox imadamente 2 mJ de l
suelo por analizar y transportarlo 01
laboratorio. El suelo se almacenará
en un recipiente de acero de por lo
menos 1.22 m de diómetro y altura
(poro obtener un volumen equivalente)
y coloque el tubo de acceso en el centro
del mismo (Figura 2). Se debe agregar el
suelo seco en el recipiente en cantidades
de 40 Kg, extendiéndolo uniformemente
y en cantidades ligeras.
Se deben tomar muestras para ca lcular el
conten ido de humedad gravimétrico y lo
densidad o lo largo del montaje. Tomar con
Figura 2. Esquema del montoje del método de calibración J para suelos
uniformes.
Tubo de . .'.I.lurn¡n¡o c=:::J
.. ---------1---- 1"--- ----.... ........
:::o !"l lja dE' f' ·J eutrone:::
Fu!?nte Ije
¡'·leutrone::.
i
i
.~ .. / '
i .1
./' ". . ......
~. ... ....
l· '-. ----~~---------_ .....
~I
el equipo leduras a cuatro profundidades
diferentes. Se agregarán volúmenes de
aguo conocidos en diferentes intervalos
de tiempo, de acuerdo con lo capacidad de filtración del suelo.
El conten ido de humedad volumétrico
se estima de la densidad prom edio y el
contenido de humedad grav imétrica del
suelo y se traza contra la p roporción de
cuentos de lo SONDA DE NEUTRONES
en una regresión lineal.
1.3.2. Método 2.
Calibración de campo por horizontes de
suelo: Éste es el método de calibración
más común. Es mejor establecer
los sit ios más húmedos y más secos
secuencia lmente en un suelo para
lo cal ibración; el establecimiento de
estos sitios aseguro muestras húmedas
y secas para cada horizonte y ayudan
a cerciorar que la pendiente de la
ecuación de calibración sea tan precisa
como seo posible.
Antes de usar la sonda de neutrones,
se debe revisor lo profundidad de los retenedores del cable; para asegurar la
posición exacta de la fuente, se deben
tomar mínimo tres leduras estandar,
y verificar lo exactitud de los datos. El tiempo entre la tomo de los leduras y lo
toma de muestras del suelo no debe ser
muy amplio pora que el volumen de aguo
no cambie considerablemente; por esto
rozón es importante tener las lecturas de la
medida y muestras del suelo para el sitio
húmedo en un mismo día (Figura 3).
Se deben tomar múl tiples muestras
de suelo de volumen conocido o
codo profundidad alrededor de l tubo.
figura 3. Esquema del montaje del método de calib ración par horizontes
de suelo.
Fuente de neutrones
Realizando el muestreo inmed iatamente
después de tomar las lecturas.
Antes del análisis de regresión lineal, se
debe calcular la media y la desviación
estandar del contenida de humedad
y densidad volumétrico para cada
profundidad de medida en cada tuba de
acceso. Es recomendable analizar estos
datos y recalcular las medias después de quitar los dotos dudosos; este método es diseñado pora proporcion ar
el contenido de humedad volumétrico
leído por lo sonda de neutrones.
Una variante de este método fue usada
por Al len (1993) y Dickey (1993) en donde se tomaron muestras con un
Sonda de neutrones
Horizonte B
1+---- Tubo de aluminio
cil indra de 1.22m de larga, empujado
en el suelo por un compresor hidráulico;
se usaron suelos secos y húmedos. La muestra era extraída desde el tubo
hacia una bandeja y seccionada en
longitudes que corresponden a los
intervalos de medida registrados por
la sonda. El proceso fue repetida hasta
crear por lo menos un agujero de 1.5
m de profundidad. El volumen de cada
muestra ero calculado como el área del
borde cortante del tubo multipl icada
por la long itud de esa sección. Se
instalaron dos tubos de acceso en
los perforaCiones realizadas; las
muestras y medidas can la SONDA DE
NEUTRONES se toman en los centros del ranga de profundidad muestreado.
2 Zozueto Fedro S. Soil Moisture Sensors Bulletin 292, Florido Cooperotive Extension Service, Institute of Food and Agricu ltural Sciences, Universily of Florida. Publication dale: Apri l 1994. F;rs! published: June 1993 as Specia l Series AGE-27.[en I;neo[ URL: edis.;fos. ufl .edu (Consulta: 23 agosto de 2003).
1.4 Características de los puntos de muestreo
Es recomendable que los puntos de lecturas no estén a profundidades
menores a 20 centímetros de la
superficie del suelo, porque se puede perder los neutrones en la atmósfera;
disminuyendo la respuesta del detector.
Se deben tomar muestras a diferentes profundidades, teniendo en cuenta intervalos de med ida constantes. Por
ejemplo, pueden tomarse medidas a
las profundidades de 50 centímetros, 70 centímetros y 90 centímetros.
Para cada lectura realizada con la SONDA DE NEUTRONES, es importante tener un par de muestras de suelo
tomadas para determinar el contenido
de agua volumétrico del suelo en el
punto donde se realizan las lecturas de la SONDA DE NEUTRONES.
1.5 Ventajas y desventajas del equipo
"El método tiene la ventaja de medir amplios volúmenes de suelo y también ofrece la posibilidad de hacer un registro a varias profundidades para
obtener un perfil de la distribución de humedodlf2; además de ser una
técnica no destructiva, permite obtener
registros de humedad en tiempos más
cortos comparados con las técnicas
convencionales.
También es un instrumento portátil y
ligero que facilita su transporte a los diferentes puntos de muestreo.
Por su facilidad de usa, permite realizar controles y seguimientos continuos a
variaciones de humedad a través del
tiempo.
.. INVESTIGACiÓN y TECNOLOGiy
Sin embargo, este también tiene un
número de desventajas:
Costosa
Depende de la densidad volumétrica
seca y lo sal inidad del suela
Radiación peligrosa
Requiere varias calibraciones para
diferentes lipos de suelo
Resolución
cuestionable
de profundidad
Medidas parcialmente dependientes
de los propiedades físico-químicas
del suelo
Lo sondo no puede medirvoriociones
de humedad cerca de la superficie del suelo
Sujeto o cambios y fallas eléctricos
2 . Calibracion de la sonda de neutrones ten endo en cuenta efectos de condiciones de contorno y distancia r"di'll de detección
2.1. Determinación de la influencia del diámetro de sondeos entubados y no entubados en el registro de humedad por la sonda de neutrones
En la determinación de la humedad con la SONDA DE NEUTRONES es necesario entubar la perforación
'-eolizodo; los principales objetivos de
este entubamiento son: permitir puntos
y orofundidodes de lectura constantes paro llevar un segu imien to y control
o la variación de humedad en un
mismo sitio en cua lquier momento;
también funciono como aislante entre
la fuente y el suelo para evitar posibles
daños en el equipo. El material del entubamiento puede ser de aluminio,
hierro galvanizado o PVC; sin embarg o
el mós recomendado es el aluminio
porqu e no tiene influencia sobre los
neutrones emitidos por la fuente.
Una de las causas más frecuentes que
pueden generar un error en la respuesta
de la SONDA DE NEUTRONES, es la variación de l diómetro en
sondeos entubados y no entubados.
Considerando que durante la revisión
bibliográfica realizada, previa a esta
investigación, no se encontraron dolos
numéricos que permitieran estimar la
variación de la respuesta del equipo en
di ferentes condic iones de med ida, esta
prueba pretende cuanti ficar la influencia
de las variaciones de diámetro tanto en
la perforación como en el entubamiento
sobre el registro de humedad del equipo sonda de neutrones.
2. ). ) . Materiales y metodolog ío
Esta prueba se rea lizó en la Unidad de Energía Atómica de INGEOMINAS; la
metodo logía consistió en hacer una
perforoción con un barreno manual a
80 cm de profundidad, inicialmente de 1 .5" de diámetro; el registro de lecturas
con el equipo se realizó en los puntos
donde se tomaron las 6 muestras de
sue lo y los diámetros de perforación y
de tubo fueron combinados de acuerdo
con la tabla 3.
El materíal utilizado durante la realización de esta prueba consta
de 3 tubos de aluminio de 1.5", 2" y
3" de diámetro y 80 cm de long itud, con espesores de 16, 13 Y 14 mm
respectivamente; lo perforación se
realizó con 3 barrenos de 1.5". 2" Y 3" de diámetro; los registros de humedad
se realizaron con el equipo Sonda de Neutrones Hydroprobe modelo 503.
Se colectaron 6 muestras de suelo
en profundidades de 30 a 80 cm en intenvalos de 10 cm, las muestras de suelo fueron utilizadas para determinar
el porcentaje de humedad por método
grav imétrico poro luego calcular el
conte nido de humedad vo lumétrica respectivo; paro los ensayos de peso
unitario, peso específico y plasticidad
se tomaron 2 muestras a profundidades
Tabla l . Combinación entre diámetros de perforación y de entubamiento utilizado para el registro de humedad .
Diámetro de Diámetro de tubo Figura No.
perforación (Pulgadas) (Pulgadas)
1.5 Sin tubo 4
1.5 1.5 5
2 Sin tubo 6 2 1.5 7 2 2 8 3 Sin tubo 9 3 1.5 10 3 2 11
3 3 12
Figura 4. a) Esquema del mantaie para la medición de humedad con la sondo de neutranes en un diámetro de perforación de 1.5" sin entubamienta . b) Diámetro de perforacián 1.5" .
a) = b)
a)
D
___ oerfofaclÓn 1 5" de dlametro
Fuente de neutrones
'--
Figura S. a) Esquema del montaie para la medición de humedad con lo sondo de neutrones en un diámetro de
perforación de 1.5", can tubo de 1.5" de diámetro. b) Montaie en cam po, diámetra de perforación 1.5" y diámetro de tubo 1 .5"
= b)
D
___ ::lerforaCt6n 1 5" de d.ameIrO
l---enhJbamien-.ode 1 5" de dtamel'o
Fuente de neutrones
~
El INVESTIGACiÓN y TECNOLOGiy
de 30 y 60 cm, los cuales se utilizaron
para realizar una caracterización del
suelo; los métodos aplicados fueron
peso unitario parafinodo, bomba
de vacio y límites de consistencia
respectivamente.
Es importante aclarar, que solamente se
realizó uno perforación y se amplió su
diámetro de 1 .5" hasta 3" , pora mantener
constantes las caraderísticas del suelo.
2. ¡. 2 Resultados y discusión
Oc acuerdo con anólisis de laboratorio
que se les realizó a las muestras de
suelo (Figuro 13 ) se determinaron los
siguientes característicos:
Con el ensayo de límites de consistencia
se obtuvieron valores en índice de
plasticidad de 30.5 y 27.0 poro
los profundidades de 30 y 60 cm
respectivamente; de acuerdo con la
corto de plasticidad de suefos (Anexo
2), lo compoSición del suelo en el
órea de trabaio en su gran mayoría se halla compuesto por arcillas con alto
plasticidad; el valor de peso específico
para las mismas profundidades es de
2 .35 y 2.42; el ensayo peso unitario
parafinado del suelo dio un resultado
promed io de 1.59 9/cm3.
Los valores de humedad grovimétrica
obtenidos en laboratorio se muestran
en lo tabla 2.
Para realizar la curva de calibración de l
equ ipo es necesaria la conversión de
la humedad gravimétrica en humedad
volumétrico, a través de lo ecuación
donde:
8= y, " W 1+w
o Humedad Volumétrico
y = Peso unitario ,
W Humedad gravimétrica
Figura 6. Muestras de suelo tomados entre 30 o 40 cms y de 50 o 60 cms
de profundidad, utilizados paro lo realización de lo caracterización del suelo
Los curvos de calibración realizados
para condición de medida se observan
en el gráfico 7.
Las respectivas ecuaciones de
ca libración se muestran en la tabla 3.
El conjunto de las curvas de calibración
se puede observar en el grófico
10, el cual facilitará el anólisis del
comportamiento del registro de lecturas
del equipo, poro codo condición de
medida.
Las ecuaciones obtenidas de los curvos
de calibración son de lo formo y
mx ...... b; donde, m corresponde a la
pendiente de lo recto, en el gráfico 7 se
observa uno variación en la pendiente
pora condición de medida.
Teniendo en cuenta que la sensibilidad
de calibración de un equipo depende de
lo pendiente de lo curvo de calibración
y la correlación existente entre los datos
obtenidos con el equipo, lo gráfico cuya
pendiente seo mayor y su correlación
se aproxime a 1, será la que represente
los valores más aproximados al
valor real; dado el caso en que los
pendientes sean de igual valor se
escogerá lo que presente el coeficiente
de correlación mós alto. De ocuerdo
con lo anterior, la gráfica que cumple
estas condiciones es la gráfica número
3, que corresponde o lo condición de
medido de uno perforación de 2" de
diámetro sin entubomiento, la cual se
tomará como referencia con respecto a
los demás gróficas.
Poro pod er comporor los dotas
obteni dos en laboratorio con los
registrados en campo, es necesario
convertir 105 lecturas de lo SONDA
DE NEUTRONES indicados en lo tabla
6, de Cuentos por segundo (CPS) o
porcenta ie de humedad volumétrica
(%Hv); esto se hoce o través de los
ecuac iones de ca libración mencionadas
Tabla 2. Variación de la humedad gravimétrica a través del perfil de suelo.
Profundidad Humedad % Humedad (cm) gravimétrica (w) gravimétrica (%w)
30 0.29 29
40 0.30 30
50 0.28 28
60 0.31 31 70 0.34 34
80 0.42 42
Tabla 3. Ecuaciones de calib ración de la sondo de neutrones para diferentes variaciones de diámetro en sondeos entubados
y no entubados.
9
Diámetro de perforación(pulg.)
3
3 = 0,0015x· 1,4484
Tabla 4. Registro de lecturas tomados por el equipo sonda de neutrones a diferentes profundidades y condiciones de medida,
convertidos a porcentaje de humedad volumétrica.
Condiciones de medida
Diámetro de perforación (Pulgadas)
1.5
Diámetro de tubo (Pulgadas)
Sin tubo
Profundidad (cm)
30 40 SO
35 35 33 35 39 45
l'llVESTIGACION y TECNOLOGiy
en la tabla 7 para cada condición de
medida, en donde:
y Humedad Volumétrica
m Pendiente de la recto
x Valor en cuentas por segundo (CPS)
b Valor de a juste
Las lecturas de lo sondo de neutrones
co nverlidos en humedad volumétrica se
muestran en la tab la 9 .
La variación de humedad vo lumétrico en
el suelo , se puede representar a través
de un pe rfi l de humedad a diferentes
profundidades. La com paració n de
los perfiles de humedad permite
determinar gráficamente lo influ encia
aue tiene lo variación del diómetro de
perforación y de entuba rn iento en las
lecturas de humedad regi stradas por el
equipo y además observar la sim ilitud
entre el com po rta miento de cado perfi l
o btenido en ca mpo con respecto 0 1
perfil obtenido con los va lores reales o
de laboratorio. Dicha comparación se
muestra en la gráfica 8.
Al rea lizar esto co mparación, se
puede observar que los mediciones sin enfubamiento difieren de manera
significativa del perfil de humedades
de labo ratorio (G ráficos I 1, 13 Y
16), porque el contacto directo con
el suelo puede ofectar las lectu ras, yo sea porque algunas pa rtícul as de
suelo se pu ed en adhe rir a lo fuente
y estos interfie ran en lo resolución
del equipo; esta diferencia se si gue
observando cuando el diámetro de
entubomienlo es menor 01 diámetro
de perfo raci ón (Gráficos 14, 17 Y 18);
es te comportam ien to es debido a lo
orescncia de aire entre el entubamienfo
y el perfil de suelo; sin embargo,
cuando el entubomienlo es del mismo
d ió metro de lo perfo ra ción e l registro
de lecturas obtenidas con lo SO N DA
DE NEUTRONES tiende o comportarse
de igual manera (Gráficos 12 y 15) ;
no obstante, en el gráfico 19 existe uno
desvioción más significativa, debido
a que presenta un moyor espacio
entre fuente y entuba miento, lo que
permite lo entroda de aire a l sistema,
generando una fugo de neutrones a la
atmósfera los cuales no son registrados
por el detector.
Poro determinar cuál es la mejor
condición de medida la gráfica deberá
cumplir tres condiciones: l. poseer una
pendiente alta, 2 . tener un coeficiente
de correlación por encimo de 0.9 y 3.
seguir un comportamiento relacionado
con el perfil obtenido con los humedades
de laboratorio. Anteriormente se había
mencionado que lo gráfica 3, posee
una mejor pendi ente y corre lación
con respecto a las demós gráficos;
al observar el perfil de humedad
obtenido con su respectiva ecuación,
éste no sigue de una buena manera el
comporlamiento de l perfil de humedad
de laboratorio ya que sus valores están
por encima del valor real, lo que no
la hace adecuada por no cumplir con
una de las tres cond iciones anteriores;
por lo tanto, 01 observar un conjunto
de estos perfiles (Gráfico 20) se puede
determinar que aquellas gráficas que
siguen un comportamiento similar al
de l perfi l obten ido con los humedades
de laboratorio y además poseen tanto
pendientes y correlaciones altas,
son las gráficos 12 y 15 los cuales
corresponden a una perforación y
entubamiento de 1.5" de diámetro y a
una perforación y entubamiento de 2"
de diámetro, respectivamente.
2.) 3 Conclusiones
La interpretación preliminar de los
datos obtenidos permite dar algunas
observaciones prácticas que deben ser
ten id os en cuento durante la reoli zación
de un sondeo con el equi po, para
obtener resultados confiables sobre
la variación de humedad a trovés del
perfil de suelo.
En primer lugar, aquellos entubomientos
cuyo diámetro es menor al diámetro de
lo perforación presentan errores entre
0.05 y 0.1 por ciento; aunque este
error no es muy alto, lo desviación con
respecto a coda perfil de humedad
de laboratorio es relativamente
significativo.
Paro aquellos entubo mientos cuyo
diámetro es igual al diámetro de
perforación siguen un comportamiento
similar al de laboratorio, presentando
errares de aproximadamente 0.003
por ciento; exceptuando aquellos cuyo
diámetro es mayor a 2" de diámetro,
en los cuales su comportamiento difiere
totalmente de los valores de laboratorio
y el error observad o en este caso se
aproxima a 0.2 por ciento.
Por otra porte, cuando los diámetros
de perforaCión y entubamiento son
inferiores a 2/1 , se observa que o
menores rangos en el registro de
cuentos por segundo el equipo detecta
mayores variaciones de humedad
2. lA. Recomendaciones
Para una bueno utilización de la SONDA
DE NEUTRONES, que permito obtener
datos estadísticamente confiab les, es
recomendable utilizar entubomientos
cuyo diámetro sea de IS' o de 2" y
que lo perforación mantengo este mismo
diámetro; sin emba rgo, por costos,
adquisición y debido a que permite
un mejor desplazamiento de lo fuente
neutrones o través del perfil de suelo, el
diámetro de perforación y entuba miento
más apropiado es el de 2".
Para futuros estudios, dentro de esta
línea de investigación, se recomienda
realizar mediciones con diferentes
materiales y espesores de entubamiento
para determinar su influencia en las
lecturas registradas par el equipa
SONDA DE NEUTRONES.
También es recomendable realizar esta
experiencia a profundidades mayores
de 1 metro, utilizando instrumentos
que permitan llevar un seguimiento a
la variación de humedad y se obtenga
de esta manera un mayor número de
datos pora la posterior comparación
can las obtenidas con la SONDA DE
NEUTRONES; por ejemplo, lisimetros,
trazadores o una sonda TDR (Time
Domain Reflectrometry).
3 Determinación de
la respuesta del detector a pequeños variaciones de humedad en la zona de influencia de la sonda de neutrones
Se puede definir como lo zona de
influencia del detector de la SONDA
DE NEUTRONES a la distancia radial o esférica, cuyo centro es la fuente
de neutrones y en donde se pueden
encontrar el 95% de los neutrones
Gráfico 7. Conjunto de curvas de calibración de la sonda de neutrones.
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térmicos. Debido o que los neutrones
requieren encontrar durante su
recorrido un determinado número
de átomos de Hidrógeno para poder
ser termolizodos, "se comprende que
dicho camino será más largo y, por lo
tanto, mayor el volumen del área de
influencia a medida que disminuye la
humedad del medio"' .
Determinar cuól es la sensibilidad de la
SONDA DE NEUTRONES a pequeñas
variaciones de humedad en diferentes
distancias o lo fuente, es un parámetro
que permite señalar el comportamiento
de los registros del equipo cuando la
/ r>f~n;'R¡l· KtJ ,l' .... Ii"J Er,ILBAI,-tENT<)
'i"úQ;)1'S~ LfU,'l ¡;;>~ r,';6)~
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3
9
PLATA, Bedmar. Isótopos en hidrología. Cantral y aprovechamiento de aguas. España. 1972. Póg. 214.
INVESTIGACiÓN y TECNOLOGíy
humedad del media na es homogénea
o lo largo de l peni l de suelo.
Por otra parte, durante la revisión
bibliográfica realizada previa o esta
investigación, no se encontraron
docume ntos qu e mencionaron la
capacidad de respuesta al equipo a
pequeñas va riaciones de humedad o
sobre su sensibilidad a este efecto .
2 .1.1. M ateriales y metodologío
Determinar de manero experimental
el radio de la esfera en la cual la
reso lución del detector de lo SONDA
DE NEUTRON ES es sensible a
pequeñas variaciones de humedad fue
un proceso complicado, siendo que en
los experimentos de campo iniciales era
imposible controlar algunas variables.
Durante lo realización del primer
experimento, se pretendía evaluar
la sensibilidad del equipo a través
de uno serie de anillos excavados
alrededor de una perforoción; dicha
excavación sería llenada con arena y
posteriormente, se le agregaría agua
en volúmenes pequeños, se realizarían
estas excava ciones a distancias de 90,
60 y 30 cm de radio, al rededor de la
perforación.
En un segun do experimento, se optó
por disminuir la distancia de trabaio,
debido a que de acuerdo con el
contenido de humedad, la distancia de
resolución aumenta o disminuye; por
lo tanto, en este caso, la metodología
consistía en realizar uno excavación
de 10, 20 y 30 cm de radio (Figura
17); posteriormente se introduciría el
tubo de aluminio de 2" en el centro y
fi na lmente se rel lenaría con arena; el
procedimiento por seguir se mantuvo, se
le agregarían diferentes vol úmenes de
agua, realizando el respectivo reg istro
con la SONDA DE NEUTRONES; una
vez realizado esto, se sacaría esta arena
del suelo, se ampliaría la excavación a
20 cm y se repetiría el procedimiento,
de igual manera al rad io de 30 cm;
sin embargo, el proceso de excavación
y de posterior extracción de la arena,
fue de igual manera tedioso, además
nuevamente las condiciones del med io
Gráfico 8 . Registro de humedad para cada situación de variación de diómetro de perforación y enfubamiento en
comparación con los va lores de humedad obtenidos en laboratorio.
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9
cambiaban y la humedad del suelo natural influían en el registro de lecturas
por parte del equipo.
Finalmente, se tuvo que decidir acerca
de las voriables que debían mantenerse pa ra conseguir el objetivo propuesto,
y las más importantes son, suelo
completamente seco, y distancias a la fuente constantes; por esta razón
se optó por realizar un montaje que
permitiera manejar estas variables.
El material utilizado finalmente en la
presente investigación permite situar
un volumen de agua en una distancia
a lo fuente determinada, por lo que se
optó por trabajar arena con un 0.1 % de humedad, lo que proporcionó al sondeo un ambiente seco.
El ensayo está compuesto por una
excavación de 50cm de diómetro y
50 cm de profundidad en donde se introdujo un montaje de cartón cartulina
que simulo la ubicación de anillos en el suelo alrededor de la fuente.
A través de este montaje, no sólo
se disminuyó el tedioso proceso de excavación, ya que no había necesidad
de sacar arena o profundizarse
demasiado; de todas maneras el
principio bósico de la metodologia se
mantuvo; una vez ubicado el montaie en el suelo, el entubamiento utilizado
sería de 2" , yo que por conclusión del
experimento anteriores el entubamiento
más recomendable y como se indica
en la figura 18.0 el radio móximo
traba iodo es de 25 cm y el mínimo es de 10 cm.
La metodología se apl ica, manteniendo la SONDA DE NEUTRONES o una profundidad constante de 40 cm (Figura 20), agregando inicialmente a 25 cm de distancia de la fuen te volúmenes de
agua conocidos en intenvalos de 200 mi, poro determinar la sensibilidad de l equipo a pequeñas variacio nes de
humedad a esta distancia¡ de la misma
manera se procedió con los demás
"anillos", a medida que se finalizaba el
proceso en cada anillo se tomaba la respectiva muestra.
Cada muestra fue tomada
inmediatamente; después se finalizaba
cada proceso en el anillo respectivo, es
decir, cuando se completaban 2000 mi; estas fueron llevadas al horno a 105 oC durante 24 horas. Una vez seca,
la muestra se pesó de nuevo. El peso
Figuro 7. Proceso de demarcación de los radios, para posterior excavación.
de muestra de suelo húmeda menos el
peso de muestra de suelo seca dividido por el peso de muestro de suelo seco
es la proporción de humedad que
contenía la muestra en el momento de
la recolección
4. Aplicaciones de la técnica al medio ambiente e Ingeniería Ambiental
La sonda de neutrones es generalmente
usada poro realizor un perfil del
contenido de humedad en el suelo; esta medida es mós frecuentemente
usada en aplicaciones para agricultura
y algunas veces se usa para medir la
densidad a profundidades mayores de 10 mt¡ para esta aplicación la sonda
debe ser equipado con una fuente de rayos gamma; sin embargo, esta
aplicación no será tenida en cuenta
para efectos de esta investigación.
Las aplicaciones aquí propuestas,
son el resultado de lo investigación
teórica realizada¡ por lo tanto, no
estón comprobadas su efectividad y su eficiencia en los temas aquí referidos.
.. INVEST'GACIÓN y TECNOLOGíA /
I Figura 8. Esquema de la perforación realizada para el ensaya de sensibilidad de la sonda de neutrones
Razón por la cual se incluye uno
explicación del parqué el equipa puede
ser utilizado en determinados casos y
su fundamento teórico. Las siguientes
propuestas, pueden ser investigadas
y comprobadas o refutadas por
estudiantes de ingeniería ambiental
que deseen continuar con esto línea
de investigación. Es importante aclarar
que debida al casta del equi po y a sus requerimientos de manejo, es me jor
tener en cuenta este equipo poro ser
usado solamente en proyectos de
investigación.
4.1. Uso de la sonda de neutrones en la caracterización de los suelos contaminados
La contaminación de suelos es
un problema que se ha venido
incrementando en numerosos países
debida o la creciente y muy extendida
prácti ca de lo reu ti lización de las aguas
residuales urbanas. Hoy en día, estas
han sido considerados como recursos
hídricos alternativos; además de ser
uno posible solución para evitar su
vertimiento en los cauces de los ríos,
lo cual ha traído como consecuencia la
eutroficación y contaminación directo
o indirecta de ofras aguas, ya seo
superficiales o subterróneas.
En los últimos tiempos son varios los
aplicaciones que se les da a las aguas residuales, ya sea en el riego de cultivos,
parques y jardines, en la reutilización
industrial, usas na potables (apagar
incendios, sanitarios, lavado de coches,
riega de calles) e inclusa en la recarga
I Figura 9. Esquema del montaje de cartón-cartulina . b. Montaje cartón-cartulina rellena de arena de 0.1 % de humedad,
dentro de la perforación en terreno natural.
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1
Figura 10. Registro de humedad en la arena, con la sonda de neutrones.
I AGUAS RESIDUALES URBANAS .............
Suelo
%luas subterráneas
artificial de acuíferos subterráneos.
"Esta reutilización representa una forma
de conseguir que los recursos hídricos
convencionales se dediquen o cubrir
aque llas demandas que exigen una
calidad mós elevada del agua"4
4. ¡ . ¡. Sensibilidad de los suelos a las cargas contaminantes
El comportamiento de los sustancias
contaminantes a través del suelo
depende de una serie de aspectos como su concentración, propiedades
fíSico-químicas y la relación entre
su movil idad y su solubilidad can la
extensión del área contami nado. Lo
mayoría de los elementos presentes
en las aguas residuales pueden ser
eliminadas par procesas biológicas,
químicos y físicos; sin embargo, las metales pesadas pueden ser
acumu lados influenciando directa a
indirectamente la productividad de
los cultivos o capa vegetal del suelo,
ademós de la posibilidad de repercutir
en la cadena trófico.
4. ¡ .2. Fundamenta de aplicación de la SONDA DE NEUTRONES
Can el propósito de evaluar la
concentración y comportamiento de los
metales pesados en el suela es posible
realizar un seguimiento y monitoreo
en campos experimentales a suelos
contaminados por la reutilización
de aguas residuales, principalmente
aquellos con la presencia de Cadmio
y Manganeso.
De acue rdo can el capítulo 1 de
la presente investigación, se puede
observar en la tabla 2, que elementos
como cadmio, Boro, Litio, Cloro, y
Manganeso poseen una alta sección
transversal de absorción y como se
explicaba en el apartada 1 .2.3 sobre las
Interferencias en la termalización, una
de sus probabi lidades es ser captados
por núcleos atómicos presentes en el
medio. La presencia de elementos de
elevada sección transversal de absorción
se traduce en una disminución de la
respuesta del detectar, can relación
a la que se obtendría en otro medio
de igual humedad, en el que na
estuvieran presentes dichos elementos.
"Lóg icamente la disminución de la
res puesta es mayor a medida que
aumenta la concentración de toles
elementos"5 . Basadosenestopodríamos
afirmar hipotéticamente que el uso de
la SONDA DE NEUTRONES permitiría
determinar niveles de concentración y
comportamiento de metales pesados
o elementos con una elevada sección
transversal de absorción a diferentes
profundidades del suelo, esto realizando
una calibración adecuada del equipa.
4.2 Uso de la sonda de neutrones en el cálculo de la recarga de acuíferos subterráneos
La recarga artificial de acuíferos
puede definirse como el conjunta de
técnicas que permiten aumentar la
disponibilidad de agua subterránea.
De acuerdo con esto cualquier acuífero
Lección 28. Reutilización de aguas residuales [En línea] URL: www.agua.u¡i.es (Consu lto: 15-08-03). 5 PLATA, Bedmar. Op. Cit, P. 218 .
INVESTIGACiÓN y TECNOLOGíy
puede ser util iza do para uno recarga
a rti ficial, siempre y cu ando la técnica
util izado seo tanto eco nómica como
ambientalmente factible .
Uno de los principales objeti vos por
los cua les se util izo esta técni ca es
básicamente disminu ir los descensos en
los nive les de agu a subte rrá nea evitando
de esto manera posibles asentami entos
de sue lo. Cualqu iera que seo lo técn ica
utilizad a es importante tener un con tro l
de l vo lumen de agua de inyección .
La gran mayoría del agua que tiende
o ser util izada en la recargo artifi cia l
de acuíferos subterrón eos se orig ino
pr incipa lmente de agu as su perfic ia les,
aguas de escorren tío o aguas residua les.
Cua lquiera que seo el método utilizado,
este se verá influenciado por factores
hidrogeológicos, topográficos, además
de aque ll os de ca rócte r téc nico, socioeconómico y legal, los cuales va ría n de
acue rdo con el lugar donde se apl ique .
Dentro los facto res hid rogeológicos es
importante destoca r la permeabi lidad
y espesor de la zona no sa turada,
coeficiente de a lmacenamiento del
acuífero y la estructuro y barreras
lito lóg icos.
En los factores topogró ficos lo variable
que más afecto e l método de recarga es lo pendiente del lugar donde se
ubique el punto de inyección.
4.2.1. Fundamento de aplicaCión de
lo sondo de neutrones. De acuerdo
con el principio bósico el equipo,
que es lo detección de variaciones
de humedad o la larga del perfil de l
sue lo, el equipo propo rciona datos de
gran valor hidro lógico, ya que permi te
obtener reg istros de l coeficien te de
almacenamiento de
y además pone en
un acuífero
mani fi esto la
existencia de aguas colgadas, es decir,
aguas a lmacenados con flujos lentos o
acuítardos.
Esta técnica es uti lizado frecuentemente
en la zona no saturada de l suelo,
principa lmente porque permite
estudiar cambios de humedad a través
de l t iempo y en diferentes condic iones
edafa lógicas. Esto permite, por la
Figura 10. Reg istro de humedad en la arena, con la sonda de neutrones.
tan to, rea lizar investiga ciones de
balance hídrico en la zona y ade más
real izar cá lcu los de infil tración y
evaporación de l agua; sien do un
excelente comp lemento para los
equipos convenciona les uti lizados
para medir estos pa rá metros.
4.3. Uso de la sonda de neutrones para establecer cambios en la estructura de los suelos
Los prácticos agríco las y ganaderas
pueden alterar de manera sign ificativa
la forma y distribución del sistema
poroso en la estructura del suelo, lo
que a mediano y la rgo p lazo pu ede
influir notoriamente en las operaciones
de cu ltiva.
Los suelos que t ienen una estructura
que no ha sido notab lemente
modificada ofrecen buenas co ndiciones
de penetración y crec imiento de las
raíces, poseen una buena infi ltración
y capac idad de retención de l agua;
por el contrario, sue los que al perder
su estabi lidad estructura l, presentan
problemas de defi c ienc ia hídrica ,
anclaje de raíces e impl antación de
cu ltivos.
Letey (1985), indica que el aguo, el
oxígeno, la temperatu ra y la resistencia
o la penetración afectan d irectamente
el creci miento y lo product ividad de
los cu ltivos. Cerana y Nicallier (1969)
sostienen que el creci mi ento de la
raíz puede ser impedido cuando la
resistencia que ofrece el suelo l lega a
ser superior a la fue rzo que este ó rgan o
es capaz de e jercer sob re el medio que
la rodea. 6
Los sue los su fren mod ifi caciones
estructurales a camb ios de hu medad,
inf luyendo esto en el volumen, tamaño
y consistencia de los poros; co mo lo
res istencia de l suelo está rela cionad o
con los estados de humedad, es bueno
conocer la evolución de esta propiedad ante los posib les cambios hídricos.
4.3.1. Fundamento de aplicación de la sonda de neutrones. De acuerdo
con los resultados obtenidos en esta investigación la SON DA DE NEUTRONES puede ser utilizada
en la determinación de la humedad volumétrico para establecer la
va riación de los valores de resistencia
o lo penetración en función de los
contenidos hídricos del suelo, para
así disponer de medidos que mitiguen
dicha resistencia.
Cabe anotar que la SONDA DE NEUTRONES al ser utilizada en estas investigaciones reduce el tiempo de
trabajo de campo ya que arroja datos de humedad de manera rápida y es fáci l
de transportar, lo que ayuda a recorrer
mucha más extensión de terreno por
estudiar.
BIBLIOGRAFíA
4.4. Aplicación de la sonda de neutrones en la determinación de humedad del sustrato en cultivos
Una de las características más
importantes para el manejo adecuado
de un cultivo es el suministro de agua,
ya que su buena uti lización es de vital
importancia en ciertas épocas del
año, en di fere ntes regiones del país y pensando en una utilización sostenible
de este recurso por los generaciones
futuras.
Es muy importante conocer la cantidod
de agua en el sustrato, ya que es
parte fundamental para un buen
desarrollo del cultivo, ya que si existe
un adecuado abastecimiento de ag uo,
esta es garantía en gran porte de uno
abundante cosecho y uno excelente
ca lidad de la misma.
Esta situación hace que se lleve un
riguroso seguimiento de la cantidad de
agua aplicada y presente en el sustrato, que permita un manejo técnico del riego
y por consiguiente utilizar herramientas
que permitan medir el agua del sustrato
de uno manero eficiente, precisa y confiable.
La acumulación máximo de agua en
el suelo se puede realizar mediante
parcelas de inundación, considerando
este valor como el contenido de agua de
ese suelo en condiciones de capacidad
de campo; luego se determinan los
valores de riego por seguir el cual varío
dependiendo del tipo de cultivo.
La determinación de esta humedad se
realiza durante todo el ciclo de cultivo, para capas de suelo que oscilan entre
30 cm hasta 120 cm de profundidad, o hasta donde sea la profundidad de penetración de las raíces.
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