APLICACIÓN DE UN MODELO UNIDIMENSIONAL PARA FLUJO EN SUELOS SATURADOS Y NO SATURADOS Y TRANSPORTE...

APLICACIÓN DE UN MODELO UNIDIMENSIONAL PARA FLUJO EN SUELOS SATURADOS Y NO

SATURADOS Y TRANSPORTE DE HERBICIDAS. APLICACIÓN EN ZONA CENTRO DE LA

PROVINCIA DE CÓRDOBA.

Ing. Jorge Armando Linares Forero

MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA - MENCIÓN RECURSOS HÍDRICOS

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOBA

ARGENTINA, CÓRDOBA

AÑO 2012

APLICACIÓN DE UN MODELO UNIDIMENSIONAL PARA FLUJO EN SUELOS SATURADOS Y NO

SATURADOS Y TRANSPORTE DE HERBICIDAS. APLICACIÓN EN ZONA CENTRO DE LA

PROVINCIA DE CÓRDOBA.

JORGE ARMANDO LINARES FORERO

Director (a)

Dra. TERESA MARÍA REYNA

MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA - MENCIÓN RECURSOS HÍDRICOS

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOBA

ARGENTINA, CÓRDOBA

Resumen

La contaminación de las aguas causada por una producción agrícola intensiva es un

fenómeno cada vez más acusado siendo las aguas subterráneas las más afectadas,

causando en la mayoría de los países del mundo una mayor atención a esta problemática.

La utilización de diferentes modelos numéricos como herramientas imprescindibles en la

obtención de aproximaciones al comportamiento del movimiento del agua en el suelo y el

transporte de solutos (Atrazina y Acetoclor) en la zona no saturada es una de las opciones

que se han venido utilizando hasta la fecha.

En el presente trabajo se realizó la calibración de sensores de humedad y se validaron los

parámetros utilizados en los modelos numéricos (Hydrus 1D) aplicando técnicas de

modelación inversa para calibrar los parámetros de las funciones de van Genuchten-

Mualem (vG-M) y los parámetros de la ecuación de transporte. Para ello se utilizaron

lecturas de contenido de humedad obtenidas experimentalmente en un lote del instituto

del Inta en Córdoba Argentina. Se calibraron tres sensores, uno de medición de

conductividad hidráulica, humedad y temperatura en el suelo y los otros dos de humedad

en el suelo, ubicados a diferentes profundidades, además se tomaron muestras de suelo

para la determinación de parámetros físicos y químicos realizados en laboratorio. Los

datos de contenido de agua simulados se compararon con los registrados en distintas

posiciones del suelo. Los resultados obtenidos muestran la necesidad de las calibraciones

antes de la implementación de los sensores para medición de campo. También se observa

que el frente de humedecimiento no genera una recarga de la freática directa generada

por la precipitación ni de los contaminantes. En los horizontes superficiales, la evolución

en el tiempo de las medidas experimentales y de los valores simulados siguió una misma

pauta, con pequeñas diferencias entre ellos. En cambio en los horizontes más profundos,

las diferencias entre los valores observados y simulados fueron importantes.

Abstract

The pollution caused by intensive agricultural production is a growing phenomenon

defendant being the most affected groundwater, causing in most countries of the world

increased attention to this problem. The use of different numerical models as

indispensable tools in obtaining motion approaches regarding the behavior of ground

water and solute transport (Atrazine and Acetochlor) in the vadose zone is one of the

options that have been used to date.

In this paper, there was realized the calibration of sensors of moisture and there were

validated the parameters used in the numerical models (Hydrus 1D) using inverse

modeling techniques to calibrate the parameters of the functions of van Genuchten-

Mualem (VG-M) and parameters of the transport equation. For it there used readings of

content of moisture obtained experimentally in a lot of the Inta Institute in Cordoba

Argentina. Three sensors were calibrated, one hydraulic conductivity measurement,

moisture and soil temperature and the other two of moisture in the soil located at

different depths, and soil samples were taken for determination of physical and chemical

parameters performed in laboratory . The simulated water content information were

compared with those registered in different positions of the soil. The results show the

need for calibration before implementing the measurement of field sensors. It is also

noted that the non-wetting front recharging generates a direct table or generated by

precipitation of contaminants. In the surface horizons, the time course of the

experimental measurements and simulated values followed the same pattern, with minor

differences between them. But in the deeper horizons, the differences between observed

and simulated values were important.

APLICACIÓN DE UN MODELO UNIDIMENSIONAL PARA FLUJO EN SUELOS SATURADOS Y NO SATURADOS Y TRANSPORTE DE HERBICIDAS.

APLICACIÓN EN ZONA CENTRO DE LA PROVINCIA DE CÓRDOBA

v

AGRADECIMIENTOS

Entre más lejos es la distancia que separa a los seres queridos, más fuerte se hacen los

sentimientos que nos unen hacia ellos.

Ante todo quiero dar gracias a Dios, por sus consejos, protección y ser el guía en el camino

de mi vida.

A mis padres Justino y María Andrea, en especial a mi madre y Hermano Oscar Ivan

Linares, quien a pesar de la tristeza de haberlos dejados, siempre tenían una sonrisa en su

cara la cual me ayudaba a continuar con esta nueva etapa. Su ayuda incondicional en esta

gran odisea que está llegando a su fin, fue lo que me ha permitido extender mis

horizontes, mil gracias

A mi directora, la Dra Teresa Reyna, una fuente de ayuda incondicional en todo momento,

su guía y consejos permitieron que la estancia en Córdoba Argentina fuera una gran

experiencia, a nivel personal ty profesional.

A mi compañero de aventuras, Willian Javier Llanos, que me ha enseñado que la fuerza y

la salud, vienen de las ganas de vivir y que cada minuto es muy valioso.

A mi grupo de amigos en Colombia los bouches fuente de inspiración, alegrías y tristezas,

pero que las llevamos todos como hermanos.

A los profesores de la Maestría en Recursos Hídricos por su valiosa formación en estos dos

años.

A los compañeros de maestría, en especial a Carlos Góngora que fue como un hermano de

batalla para mí en este ciclo de mi vida, ‘que viva santa cruz puej’.

A la junta evaluadora de este trabajo, M. Sc Gerardo Hilman, MSc. Facundo Alonso y el Dr

Jorge Gironás por sus observaciones y aportes.

Al Dr. Santiago Reyna por permitirme pertenecer a los proyectos de investigación sobre

Evaluación de la Persistencia y Movilidad de Herbicidas en Suelos con Cultivos Extensivos

y el de Technologies for Wáter Recycling and Reuse in Latin America Context (Coroado,

2011)



vi

ÍNDICE

Resumen........................................................................................................................iii

Abstract.........................................................................................................................iv

Agradecimientos.............................................................................................................v

ÍNDICE............................................................................................................................vi

Ilustraciones………………………………………………………………………………………………………………….x

Tablas………………………………………………………………………………………………………………………….xii

1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 1

2 OBJETIVOS .......................................................................................................................................... 4

2.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................................. ................................ 4

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................... ................................................... ............................. 4

3 ANTECEDENTES ................................................................................................................................... 8

4 PROPIEDADES DEL SUELO ................................................................................................................. 10

4.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................... ......................................... 10

4.2 FORMACIÓN DEL SUELO ............................................. ................................................... ..................... 10

4.3 PERFIL DE SUELO ............................................. ................................................... ................................ 12

4.3.1 Horizontes principales: .............................................................................. ............................... 14

4.3.2 Horizontes de transición ............................................................................. .............................. 15

4.3.3 Horizontes de mezcla ................................................................................. ............................... 15

4.3.4 Letras con sufijos más usuales ....................................................................... ........................... 15

4.4 FASES DEL SUELO ............................................. ................................................... ................................ 16

4.4.1 Fase Sólida ....................................... ................................................... ...................................... 17

4.4.2 Fase Líquida del Suelo ............................................................................... ................................ 18

4.4.3 Fase Gaseosa del suelo ............................................................................... .............................. 18

4.5 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS ............................................ ................................................... 18

4.5.1 Porosidad ............................................................................................ ...................................... 20

4.5.2 Contenido de agua en el Suelo......................................................................... ......................... 21

4.5.3 Medición del contenido de humedad del suelo .......................................................... .............. 22

4.5.4 Capilaridad en Medios Porosos......................................................................... ........................ 27

4.5.5 Conductividad Hidráulica Saturada .................................................................... ...................... 28

4.6 PROPIEDADES FÍSICO QUÍMICA DE LOS SUELOS ............................................ ..................................... 32

4.6.1 Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC): ............................................................ .................. 33



vii

4.6.2 Acidez del suelo: .................................................................................... ................................... 34

4.6.3 Potencial de oxidación - reducción ................................................................... ........................ 35

5 MOVIMIENTO DEL AGUA .................................................................................................................. 37

5.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................... ......................................... 37

5.2 SISTEMA SUELO-AGUA ........................................................................................... ............................ 37

5.2.1 Ley de Darcy ......................................................................................... ..................................... 38

5.2.2 Formulación de ecuaciones de flujo en medios porosos ................................................. .......... 40

5.2.3 Flujo en medios porosos saturados..................................................................... ...................... 41

5.2.4 Flujo en medio poroso no estacionario saturado ....................................................... .............. 43

5.2.5 Flujo en medio poroso no estacionario no saturado..................................................... ............ 44

5.3 FUNCIONES HIDRÁULICAS DEL SUELO ............................................. ................................................... 47

5.3.1 Curva de retención de humedad (CRH) .................................................................. ................... 47

5.3.2 Conductividad hidráulica ............................................................................. ............................. 50

6 HERBICIDAS ...................................................................................................................................... 56

6.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................... ......................................... 56

6.2 TERMINOLOGÍA. ........................................................................................ ......................................... 57

6.3 MECANISMOS DE ACCIÓN DE LOS HERBICIDAS .................................................................................. 58

6.3.1 Inhibidores de la fotosíntesis ....................................................................... ............................. 58

6.3.2 Inhibidores de la síntesis de aminoácidos ............................................................ ..................... 60

6.3.3 Reguladores del crecimiento vegetal .................................................................. ...................... 60

6.3.4 Herbicidas con otros mecanismos de acción ............................................................ ................ 62

6.4 APLICACIÓN DE HERBICIDAS............................................................................................ ................... 62

6.4.1 Características de la aspersión. ..................................................................... ........................... 63

6.5 ATRAZINA ............................................................................................. .............................................. 64

6.5.1 Principales propiedades de la atrazina ............................................................... ...................... 65

6.5.2 Los estudios de transporte de atrazina en el suelo ................................................... ................ 65

7 TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EN EL SUELO ............................................................................. 67

7.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................... ......................................... 67

7.2 DINÁMICA DE LOS PLAGUICIDAS .......................................................................................... .............. 68

7.2.1 Flujos preferenciales ................................................................................ ................................. 69

7.3 PROCESOS A LOS QUE ESTÁ SUJETO EL SOLUTO DURANTE SU TRANSPORTE EN EL SUELO ................ 70

7.3.1 La advección ......................................................................................... .................................... 70

7.3.2 La difusión molecular ................................................................................ ................................ 71



viii

7.3.3 La dispersión hidrodinámica .......................................................................... ........................... 72

7.3.4 La sorción ........................................ ................................................... ....................................... 73

7.4 ECUACIÓN GENERAL DE TRANSPORTE ........................................................................................... .... 74

8 MODELOS COMPUTACIONALES PARA RESOLVER EL FLUJO Y TRANSPORTE DE CONTAMINANTES .... 77

8.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................... ......................................... 77

8.2 HYDRUS 1D ................................................ ................................................... ...................................... 77

8.2.1 Discretización de Espacio y Tiempo de la Ecuación De Flujo ........................................... ......... 78

8.2.2 Tratamiento de las condiciones de contorno de la presión ............................................. ......... 81

8.2.3 Tratamiento para las condiciones de contorno de tipo Newman ............................................. 81

8.2.4 Estrategia de la solución numérica ................................................................... ........................ 82

8.2.5 Solución Numérica de la Ecuación de Transporte de Solutos ............................................ ....... 85

8.2.6 Discretización Espacial .............................................................................. ................................ 86

8.2.7 Discretización En el tiempo .......................................................................... ............................. 90

9 MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................................................................. 91

9.1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA DEL ÁREA DE ESTUDIO ........................................... .................................... 91

9.2 CARACTERIZACIÓN DEL SUELO ............................................. ................................................... ........... 91

9.3 CONDICIONES CLIMÁTICAS ........................................................................................... ..................... 93

9.4 CALIBRACIÓN DE LA CURVA DE HUMEDAD DE LOS SENSORES .......................................... ................. 94

9.4.1 Equipos utilizados ................................................................................... .................................. 94

9.4.2 Calibración ....................................... ................................................... ...................................... 95

9.4.3 Obtención de la curva de calibración ................................................................. ....................... 97

9.5 MODELO NUMÉRICO PARA MOVIMIENTO DEL AGUA ........................................................................ 98

9.5.1 Condiciones iniciales y de contorno .................................................................. ...................... 100

9.5.2 Modelación inversa parámetros del suelo .............................................................. ................ 101

9.6 MODELO NUMÉRICO PARA EL TRANSPORTE DE CONTAMINANTES ................................................. 102

9.6.1 Las condiciones iniciales y de contorno .............................................................. .................... 102

9.6.2 Modelación inversa parámetros de la solución ......................................................... ............. 103

9.7 OBTENCIÓN DE CONCENTRACIÓN DE ATRAZINA EN CAMPO ............................................. .............. 103

10 ANALISIS Y RESULTADOS ................................................................................................................ 105

10.1 ANÁLISIS Y RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN DE LOS SENSORES .......................................... ...... 105

10.2 ANÁLISIS Y RESULTADOS DE LA OBTENCIÓN EN LABORATORIO DE LA ATRAZINA. ...................... 110

10.3 ANÁLISIS Y RESULTADOS DE LA MODELACIÓN DEL FLUJO Y TRANSPORTE .................................. 113

11 CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 121



ix

11.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................... .................................. 121

11.2 MEDICIONES DE HUMEDAD EN CAMPO ............................................. ......................................... 121

11.3 RESULTADOS DE LAS MUESTRAS TOMADAS EN CAMPO PARA ANÁLISIS DE LABORATORIO ....... 123

11.4 RESULTADOS DE LAS MODELACIONES CON HYDRUS ............................................ ....................... 124

12 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................. 127

13 ANEXO A ......................................................................................................................................... 13-I

13.1 CALIBRACIÓN DE LOS SENSORES EC-5, 5-TE Y 10-HS ............................................. ....................... 13-I

14 ANEXO B ........................................................................................................................................ 14-V

14.1 DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE ATRAZINA Y ACETO-CLORO ................................ 14-V

15 ANEXO C ..................................................................................................................................... 15-VIII

15.1 SISTEMA DE SEGUIMIENTO DE LA HUMEDAD COMO UN CONTROL DE ALERTAS .................... 15-VIII

15.2 FACTORES A MONITOREAR ........................................................................................... ............. 15-IX

15.2.1 Humedad............................................ ................................................... ........................... 15-IX

15.2.2 Nivel freático ....................................................................................... ............................. 15-IX

15.2.3 Precipitaciones y temperatura ambiente ............................................................... ........... 15-X

15.2.4 Registradores (dataloggers) .......................................................................... ........................ X

15.3 UNIDADES DE MONITOREO ............................................................................................ ........... 15-XI

15.4 TAREAS DE INSTALACIÓN REALIZADAS ........................................................................................ 15-I

16 ANEXO D ..................................................................................................................................... 16-VIII

16.1 SOFTWARE EXISTENTE PARA INFILTRACIÓN Y FUNCIONES HIDRÁULICAS DE SUELOS ............. 16-VIII

16.1.1 UNSATCHEM-2D.......................................................................................... ................... 16-VIII

16.1.2 CHAIN-2D ............................................................................................. ............................ 16-IX

16.1.3 VS2DI versión 1.3 .............................................................................................................. 16-X

16.1.4 CHEMFLO 2000 versión 2005.10.13 ...................................................................... ........... 16-XI

16.1.5 VLEACH ........................................................................................................................... 16-XII

16.1.6 SUTRASUITE ........................................................................................... ........................ 16-XIII

16.1.7 TOUGH ............................................. ................................................... ............................ 16-XV

16.1.8 R-UNSAT .............................................................................................. ........................... 16-XVI

16.1.9 PRZM 3.12.2 .......................................................................................... ......................... 16-XVI

16.2 MODELOS QUE DESCRIBEN LAS PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS NO

SATURADOS............................................................................................. ............................................. 16-XVII

16.2.1 UNSODA ............................................................................................... ......................... 16-XVII



x

16.2.2 RETC .............................................. ................................................... ............................ 16-XVIII

16.2.3 Soil Data Mart ....................................................................................... ......................... 16-XIX

17 ANEXO E ...................................................................................................................................... 17-XX

17.1 PUBLICACIÓN A REVISTA AMBIENTE & ÁGUA - AN INTERDISCIPLINARY JOURNAL OF APPLIED

SCIENCE (REYNA, ET AL., 2011) ............................................. ................................................... .................. 17-XXI

Ilustraciones

Ilustración 4-1 Principales procesos en la Formación de los Suelos (CASANELLAS, 2008) ............................... 12

Ilustración 4-2. Unidad de estudio del suelo (pedón), distribución de los horizontes en el perfil del suelo.

(Honorato, 2000) ..................................................................................... ................................................... ...... 13

Ilustración 4-3. Representación de las fases dentro del suelo (Dorronso, 2012) .............................................. 17

Ilustración 4-4 Intercambio entre los cationes de las partículas y los cationes libres de la solución del suelo.

(Dorronso, 2012) ..................................................................................... ................................................... ....... 33

Ilustración 4-5 Disponibilidad de nutrientes según su acidez (Brady, 1994) ................................................... 35

Ilustración 5-1 Subdivisiones dentro del perfil del suelo de los diferentes estados de humedad ..................... 40

Ilustración 6-1 Forma de la molécula de la atrazina .................................................. ...................................... 64

Ilustración 7-1 Movimiento y destino de los plaguicidas en el medio ambiente (Díaz, 2007) .......................... 69

Ilustración 9-1 Imagen satelital del lote 20. Der vista del lote 20 en barbecho con riego de pivote central .... 91

Ilustración 9-2 Estación Meteorológica iMetos ........................................................ ........................................ 93

Ilustración 9-3 Toma de muestra inalterada para calibración de los sensores ................................................ 96

Ilustración 9-4 Izq: Perfil grafico de los contenidos de humedad. Der: Perfil grafico de la malla y nodos de

observación .......................................................................................... ................................................... ....... 100

Ilustración 9-5 Izq: 1ºCampaña de muestro Diciembre. Der: 6º Campaña de muestreo Abril ....................... 103

Ilustración 9-6 Izq: Empacado de las muestras de campo. Der: Almacenamiento de todas las muestras de

campo en frío ........................................................................................ ................................................... ....... 104

Ilustración 10-2 Curva de calibración para el sensor 5-TE con el suelo del country Cañuelas ....................... 106

Ilustración 10-1 Curva de calibración para el sensor 5-TE con el suelo de Manfredi ..................................... 106

Ilustración 10-3 Curva de calibración para el sensor 10-HS con el suelo de Manfredi ................................... 107

Ilustración 10-4 Curva de calibración para el sensor 10-HS con el suelo del country cañuelas ................... 107

Ilustración 10-5 Curva de calibración para el sensor EC-5 con el suelo de Manfredi ..................................... 107

Ilustración 10-6 Curva de calibración para el sensor EC-5 con el suelo del country cañuelas ..................... 107

Ilustración 10-7 Análisis de sensibilidad unidimensional del coeficiente de la ecuación de calibración a...... 109

Ilustración 10-8 Análisis de sensibilidad unidimensional del coeficiente de la ecuación de calibración n=a,b,c

.................................................. ................................................... ................................................... ................ 109



xi

Ilustración 10-9 Análisis de sensibilidad unidimensional del coeficiente de la ecuación de calibración a,b,c 110

Ilustración 10-10 Caracterización del suelo a las diferentes profundidades (Reyna, et al., 2011) ................. 111

Ilustración 10-11 Concentración de atrazina en el punto de muestreo en función del tiempo (Reyna, et al.,

2011).............................................. ................................................... ................................................... ........... 112

Ilustración 10-12 Atrazina en el punto de muestreo a distintas profundidades y para distintos tiempos.

(Reyna, et al., 2011)) ............................................................................... ................................................... .... 112

Ilustración 10-13 Laminas de lluvias ocurridas en el periodo de medición del 20/07/10 al 30/09/10 ........... 114

Ilustración 10-14 Comparación de los perfiles de humedad gravimétricos observados y simulados ............. 115

Ilustración 10-15 Comparación de los perfiles de humedad de la sonda de neutrones observados y simulados

.................................................. ................................................... ................................................... ................ 115

Ilustración 10-16 Comparación de los perfiles de humedad gravimétricos observados y simulados ............. 116

Ilustración 10-17 Comparación de los perfiles de humedad de la sonda de neutrones observados y simulados

.................................................. ................................................... ................................................... ................ 116

Ilustración 10-18 Simulación directa con los parámetros optimizados a 10 cm y lámina de lluvia para la sonda

de neutrones. ........................................................................................ ................................................... ....... 116

Ilustración 10-19 Simulación directa con los parámetros optimizados a 10 cm y lámina de lluvia para los

datos del método gravimétrico. ....................................................................... .............................................. 116


de neutrones ......................................................................................... ................................................... ....... 117


datos del método gravimétrico ........................................................................ .............................................. 117


de neutrones ......................................................................................... ................................................... ....... 117


datos del método gravimétrico ........................................................................ .............................................. 117

Ilustración 10-24 Comparación de los valores observados por la sonda de neutrones con los ajustados por la

optimización ...................................... ................................................... ................................................... ....... 120

Ilustración 10-25 Comparación de los valores observados por el método gravimétrico con los ajustados por la

optimización ...................................... ................................................... ................................................... ....... 120

Ilustración 13 1 Perforación y extracción de la muestra de suelo .................................................................. 13-I

Ilustración 13 2 Sensores 5-TE, 10-HS y EC-5 ......................................................... ........................................ 13-II

Ilustración 13 3 Izq: Balanza de precisión. Der: Muestras de suelo con los sensores instalados y las muestras

testigos .......................................... ................................................... ................................................... .......... 13-II

Ilustración 13 4 Izq: recipiente utilizado para saturar el suelo. Der: Periodo de saturación de las muestras de

suelo ............................................. ................................................... ................................................... .......... 13-III



xii

Ilustración 13 5 Izq. Datalogger Em50. Der. Horno eléctrico ....................................................................... 13-III

Ilustración 13 14 1 Lote 20 (Coordenadas 31º 52` 20`` S y 63º 44` 38`` O) con una área de 25 ha de superficie.

Provincia de Córdoba- Argentina seccional INTA Manfredi; ............................................. ............................ 14-V

Ilustración 15 1 unidades de monitoreo de humedades en los hoyos 3 y 4 ................................................... 15-I

Ilustración 15 2 Ubicación de los sistemas de monitoreo y replanteo de los puntos de extracción de suelo

sobre la traza del caño .............................................................................. ................................................... .. 15-I

Ilustración 15 3 Izq: Nivel utilizado para alinear la cañería. Der: Cámara de limpieza de cañería de Aguas

Cordobesas ........................................................................................... ................................................... ...... 15-II

Ilustración 15 4 pozo de sondeo, ejecutado con pala viscachera .................................................................. 15-II

Ilustración 15 5 pozo ejecutado a 1,00 m de profundidad e instalación del sensor de humedad ................ 15-III

Ilustración 15 6 cámara de alojamiento del datalogger ................................................ .............................. 15-III

Ilustración 15 7 Izq: ubicación del equipo. Der: profundidad a la que se encontró el extradós del caño ..... 15-IV

Ilustración 15 8 instalación de la cámara donde se alojó el datalogger ...................................................... 15-IV

Ilustración 15 9 ubicación de la unidad N°3 y excavación ............................................. ................................ 15-V

Ilustración 15 10 Izq: sensor EC-5 ubicado a 2,00 m de profundidad. Der: sensor 10-HS ubicado a 1 m de

profundidad .......................................................................................... ................................................... ...... 15-V

Ilustración 15 11 Izq: instalación del datalogger. Der: instalación de los sensores de temperatura y

pluviógrafo .......................................................................................... ................................................... ....... 15-V

Ilustración 15 12 Izq: Pozo de agua para extracción por la bomba Der: Estructura con motor y el elemento de

perforación. ......................................................................................... ................................................... ...... 15-VI

Ilustración 15 13 Izq: Barrenos Centro: broca perforadora utilizada en la perforación del pozo. Der: Sistema

de bombeo centrífugo. ................................................................................ ................................................. 15-VI

Ilustración 15 14 Izq: Moto reductora Centro: Tubería de PVC de 3 m Der: Tubería de PVC instalada con

relleno de arena grueso .............................................................................. ................................................. 15-VII

Ilustración 15 15 Base de ladrillo sobre el pozo y calibración del nivel de agua por medio de una cinta

freátimetrica ........................................................................................ ................................................... ..... 15-VII

Tablas

Tabla 4-1. Procesos y propiedades físicas en funciones de la Agricultura, Ingeniería y Ambiental (Ratan &

Manoj, 2005). ........................................................................................ ................................................... ........ 20

Tabla 4-2. Clasificación funcional de los poros en el suelo (Wilmans & Walter, 2005) .................................... 21

Tabla 4-3. Capilares Máximos en diferentes Terrenos y Suelos (Custodio LLamas & Vilaro, 1976) ................. 28

Tabla 4-4 Valores Típicos de Conductividad (Custodio LLamas & Vilaro, 1976) ............................................... 28

Tabla 4-5 Resumen de los métodos de medición de la Conductividad Hidráulica Saturada (Adaptada de,

2001).............................................. ................................................... ................................................... ............. 31



xiii

Tabla 4-6 Métodos de medición de la conductividad hidráulica en Suelos Parcialmente Saturados (Adaptado

de Dirksen, 2001). ................................................................................... ................................................... ....... 32

Tabla 4-7. La capacidad de intercambio catiónico (CIC) de algunos de los materiales. ................................... 34

Tabla 7-1 Propiedades químicas y físicas de Atrazina los súper índices indican la temperatura a la cual fue

calculado (Díaz T, 2007)............................................................................. ................................................... ... 65

Tabla 9-1 Principales características hidráulicas del suelo .......................................... ..................................... 93

Tabla 9-2 Características químicas del suelo ........................................................ ........................................... 93

Tabla 9-3 Registro de riego aplicado ................................................................. ............................................. 100

Tabla 9-4 Parámetros obtenidos por el código Rosetta con el cuarto modelo seleccionado ......................... 101

Tabla 10-1 Coeficientes de las ecuaciones polinómicas de calibración de cada sensor. Ecuación

ax^3+bx^2+cx+d ....................................................................................... ................................................... ... 108

Tabla 10-2 Densidades para los tres horizontes de suelo en el lote 20 de Manfredi ...................................... 108

Tabla 10-3 Parámetros de vG-M optimizados para los datos gravimétricos ................................................. 114

Tabla 10-4 Parámetros de vG-M optimizados para los datos de la sonda de neutrones ............................... 114

Tabla 10-5 Valores obtenidos de la modelación inversa del escenario uno ................................................... 118

Tabla 10-6 valores obtenidos de la modelación inversa del escenario dos .................................................... 118

Tabla 10-7 Valores de Kd obtenidos de la ecuación de Weber ....................................................................... 119

Tabla 13 1 Datos obtenidos para la calibración de los sensores, mediciones de Raw vs Contenido de Humedad

volumétrica .......................................................................................... ................................................... ...... 13-IV

Tabla 14 1 Resultados obtenidos en laboratorio de la concentración de atrazina ....................................... 14-VI

Tabla 14 2 se caracterización del suelo correspondiente al sitio del ensayo ............................................... 14-VII

Tabla 15 1 Profundidad de instalación de los sensores para las tres unidades de medición. ........................ 15-I



1

1 INTRODUCCIÓN

El recurso suelo de Argentina ha sido la base principal del desarrollo económico del país.

Largos períodos con grandes cosechas hicieron que al país se lo llamara “El granero del

mundo”. Desde otras latitudes, el nombre de Argentina se asociaba con amplias planicies

de inagotables suelos profundos, oscuros, capaces de producir altos rendimientos de

granos y carne de excelente calidad. Estos conceptos son relativamente válidos para la

Pampa Húmeda que ocupa algo menos de un tercio del territorio, donde las planicies son

dominantes, formadas por sedimentos modernos no consolidados, con pastizales

naturales y clima templado (Hall, et al., 1992). Sin embargo, los dos tercios restantes son

altamente contrastantes, la mayor parte dominada por clima árido. Debe aplicarse riego

para la producción de cultivos, la que sólo se practica en la proximidad de los ríos

principales o en pequeños oasis de poca extensión en las áreas montañosas. (Ibañez,

2010)

La provincia de Córdoba es la segunda provincia del país en nivel de actividad

agropecuaria, por detrás de la Provincia de Buenos Aires. La agricultura de la provincia se

caracteriza principalmente por el cultivo de soja y maíz, seguido por el trigo, el sorgo y el

girasol. Con respecto al maní, Córdoba concentra la práctica totalidad de la producción

nacional en dicho rubro.

Con relación a estas actividades es importante destacar que las prácticas actuales de

expansión de la actividad agrícola y la incorporación de agroquímicos ha llevado a la

región a ser considerada como un sistema ambientalmente frágil, que brindan pocos

servicios ambientales debido a la pérdida de biodiversidad y por encontrarse sometidos a

distintos procesos de degradación encubiertos por una creciente dependencia de insumos

(Reyna, et al., 2011).

El movimiento de los plaguicidas en el ambiente es muy complejo e incluye transferencias

que ocurren continuamente entre diferentes compartimentos medioambientales. Se debe

tener en cuenta que, si bien, en algunos casos esta transferencia ocurre entre áreas muy



2

cercanas entre sí, está comprobado que en otros casos el transporte de plaguicida ocurre

a grandes distancias. Un ejemplo de ello lo constituye la amplia distribución en el mundo

de DDT y la presencia de plaguicidas lejos de las áreas de uso (Díaz, 2007)

El carácter contaminante de los plaguicidas depende de sus propiedades tóxicas las cuales

están definidas a su vez por la concentración en que éstos se encuentren en un momento

dado en el ambiente y de la sensibilidad de los organismos vivos afectados (Barriuso,

2000).

Desde el inicio del movimiento agrícola conocido como revolución verde, a principios de la

Segunda Guerra Mundial, se ha podido presenciar el desarrollo de una agricultura que

más que convencional, como se suele denominar, se podría llamar industrializada. Esto

último responde fundamentalmente al empleo de abonos químicos y pesticidas, a la

producción de nuevas variedades de aspecto más atractivo y a la progresiva mecanización

de la forma de cultivo más practicada: el monocultivo. En las primeras fases del desarrollo

de la agricultura convencional o industrializada se observaron incrementos mundiales

registrados de las cosechas de cereales, leguminosas, oleaginosas, fibras y raíces, para los

períodos 1929-1979. Posteriormente, se ha ido produciendo una disminución de los

incrementos de la productividad, especialmente en aquellos países que más

tempranamente adoptaron las técnicas de la revolución verde. (Romera, 2010)

Con respecto a los plaguicidas la mayoría son compuestos que no se encuentran

naturalmente en el ambiente y por lo tanto, concentraciones detectables indican

contaminación (Chapman, 1992 )

Los suelos son considerados descontaminantes naturales, debido a su heterogeneidad,

tanto por su composición como por la diversidad de procesos que ocurren (Macías, 1996).

El conjunto de propiedades físicas, químicas, y biológicas que posee hacen que actúe

como una barrera protectora de otros medios, especialmente de las aguas superficiales y

subterráneas. Por lo que la hipótesis ampliamente aceptada de que la fracción insaturada



3

del suelo constituye una defensa efectiva contra la penetración de plaguicidas es por lo

tanto cuestionable (Giuliano, 1995).

En este contexto la predicción del comportamiento de los plaguicidas liberados en el

ambiente es necesaria para anticipar, y por ende minimizar, impactos adversos fuera del

punto de aplicación (Wagenet & Rao, 1990.). Esto significa que debemos comprender qué

le sucede a un pesticida que ha sido aplicado en el campo, y predecir su destino en el

ambiente. Utilizando esta información, pueden estimarse los probables impactos adversos

sobre el agua superficial o subterránea y/o sobre la salud humana. Existen modelos con

distinto nivel de complejidad para una variedad de aplicaciones. (Bedmar, et al., 2004).

Sin duda, la escasez de conocimientos sobre contenidos de plaguicidas en suelos y en los

cuerpos de agua luego de su aplicación es debida a la extraordinaria dificultad para la

identificación y cuantificación de estos compuestos y de los productos de degradación

originados a lo largo de su tránsito por la zona no saturada.

En los últimos años se ha comenzado a prestar atención a los procesos de contaminación

de aguas subterráneas ligados a la utilización de fertilizantes, particularmente los nitratos,

en las prácticas agrícolas. Se tiene información relativa de su presencia en los acuíferos

pero no se conocen acabadamente los mecanismos de migración e interacción en el

medio no saturado. Esta carencia es más patente en el caso de los plaguicidas, sustancias

químicamente más complejas, implicadas en procesos de transformación y degradación

mal conocidos.

En particular para la Física de Suelos la predicción del movimiento del agua y los solutos se

hace más compleja en la medida en que la modelación del sistema agua-solutos-suelo-

planta sea más cercana a la realidad, es por ello que para lograr establecer elementos de

análisis, en general, es preciso simplificar al máximo el modelo del sistema físico y

describir sus interacciones y parámetros de la manera más simple posible



4

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Como se dijo, en las últimas décadas, la intensificación del uso de la tierra para producción

agrícola y la utilización de productos agroquímicos (fertilizantes y plaguicidas) como

práctica generalizada han transformado a esta actividad en una fuente importante de

contaminación. Cuando los agroquímicos exceden los límites para los que fueron

destinados, constituyen tanto una pérdida para el agrosistema como una fuente de

contaminación para los sistemas adyacentes. El nivel de riesgo de contaminación de

suelos y aguas resulta de la combinación de la carga contaminante y de la vulnerabilidad

natural del ambiente a dicha contaminación (Reyna, et al., 2011). Dentro de ese contexto

este trabajo busca avanzar en el conocimiento de los pesticidas en la zona vadosa lo que

permitirá en un futuro poder adecuar las normativas referidas a monitoreo de suelos y

definir políticas de control del manejo de pesticidas.

Para poder conocer el nivel de contaminación de los suelos y cuerpos de agua debido al

uso de los agroquímicos es necesario caracterizar el movimiento de agua en la zona

vadosa y el transporte de solutos e identificar los parámetros característicos del suelo

para modelar y ajustar el transporte de químicos a través de la zona no saturada.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Los objetivos específicos de este trabajo estuvieron vinculados al proyecto de SECYT de

Evaluación de la Persistencia y Movilidad de Herbicidas en Suelos con Cultivos Extensivos

(Reyna, 2010) y con el Proyecto Technologies for Wáter Recycling and Reuse in Latin

America Context (Coroado, 2011) el cual pretende desarrollar la metodología y las

herramientas para solucionar ese asunto apremiante a través de la aplicación integrada de

tecnologías de reciclado y reutilización del agua en áreas seleccionadas de Latinoamérica.



5

Dentro de los objetivos específicos de esta tesis se pueden indicar:

� Determinar las principales características presentes del suelo en el terreno de la

zona de estudio.

� Determinar las funciones hidráulicas y las variaciones de la humedad en el suelo de

estudio durante los periodos de aplicación de agroquímicos y luego de su

aplicación. Para ello será necesario obtener las curvas de calibración de los

sensores y la medición del contenido de humedad en el terreno de la zona de

estudio.

� Obtener en laboratorio el contenido de soluto presente en el suelo después de su

aplicación en diferentes fechas de medición.

� Establecer las condiciones de borde, para ajustar el modelo a simular, como el

contenido de humedad en el tiempo inicial, precipitaciones, evapotranspiración,

temperatura ambiente, tipo de cultivo y profundidad de raíces.

� Determinar el modelo matemático más apto para las funciones hidráulicas del

suelo en particular la curva del contenido de humedad en función de la succión del

suelo simulado.

� Establecer el proceso de transporte de soluto en el suelo.

� Modelar el transporte de soluto y contrastar los modelos con los resultados

obtenidos en el campo.

Para cumplir con estos objetivos se estableció la siguiente estructura:

En el capítulo 1, 2 y 3 se presenta una introducción general del trabajo, se detallan los

objetivos y se describe organización de la tesis y por último se presentan los antecedentes

que llevaron a la realización de esta tesis.

En el capítulo 4 se presenta de manera introductoria el marco teórico de la formación de

los suelos, una descripción del perfil del suelo donde se desglosa y explica la definición de

cada uno de sus horizontes y nomenclatura más usada, las fases dentro del suelo y sus

principales características tanto físicas como físico químicas.



6

En el capítulo 5 se presenta la definición de conceptos asociados al flujo en medios

porosos, las ecuaciones básicas y los fundamentos para el modelamiento del movimiento

del agua en el suelo

El capitulo 6 se desarrolla una breve introducción al programa de modelación utilizado

HYDRUS y se presenta la solución numérica utilizada para realizar las simulaciones, la

descripción del modelo utilizado, los supuestos básicos, las condiciones de borde y la

estrategia de simulación.

El capitulo 7 desarrolla todo el tema del transporte de contaminantes en el suelo en

donde se describe la dinámica de los plaguicidas, los procesos de transporte al cual se

encuentra sujeto el soluto dentro del suelo, su ecuación general de transporte y la

estrategia de simulación usada por HYDRUS y por último se describen las características

principales de la atrazina.

En el capítulo 8 se describe la ubicación del lugar de donde se realizaron los ensayos y se

tomaron las muestras, se caracteriza el tipo de suelo presente en el terreno, sus

condiciones climatológicas. Además se presenta el método y los equipos utilizados en la

calibración de los sensores, las condiciones iniciales y de borde impuestas sobre el modelo

tanto de flujo como de transporte y por último el método de extracción de la

concentración de la atrazina.

El capitulo 9 se presentan los resultados las curvas ajustadas obtenidas en el proceso de

calibración de los sensores, los resultados de las concentraciones de atrazina presentes en

los tres niveles del perfil del suelo muestreado y los resultados de los parámetros

optimizados por medio de la modelación inversa para el suelo y la atrazina.

Dentro del capítulo 10 se presentan las conclusiones derivadas de este trabajo de

investigación. Los capítulos 12 anexo A, 13 anexo B, 14 anexo C, 15 anexo D y 16 anexo E

donde se describen: el proceso de calibración de los sensores (anexo A), el proceso de

obtención de las muestras de suelo para la determinación de la concentración de atrazina

y acetoclor (anexo B), el plan de monitoreo para de contenido de humedad como sistema



7

de alertas dentro del country Cañuelas (anexo C), algunos de los software libres existentes

para la modelación del flujo y transporte de contaminantes 1D (anexo D)y por ultimo en el

se presentan un listado de publicaciones realizadas durante el transcurso de la tesis y la

publicación en una revista (anexo E).



8

3 ANTECEDENTES

En los últimos años la utilización de diferentes modelos numéricos, que aproximan el

comportamiento del movimiento de agua en el suelo y el transporte de solutos en la zona

no saturada es más frecuente. Los modelos conceptuales más utilizados en la zona no

saturada para el movimiento del agua y transporte de solutos son las ecuaciones de

Richards, y la ecuación Adveccion- Dispersión.

Unas de las principales dificultades que se encuentran para modelar los procesos de

infiltración es conocer los parámetros de los suelos para lograr una adecuada

representación de la realidad.

Dado el problema de la heterogeneidad presente en el medio poroso la modelación del

sistema agua-solutos-suelo-planta es más complicado. Por lo tanto obtener los

parámetros que permiten ajustar el modelo lo más cercano a la realidad es lo que lleva la

mayor parte de tiempo y dinero.

Diferentes métodos de medición para el contenido de humedad como los de capacitancia,

reflectometría, geo-eléctricos (llamados dieléctricos) y neutrones se encuentran hoy en un

amplio uso. La medición adecuada del contenido de agua en suelo resulta crítica para la

estimación de los balances de agua y energía, así como para comprender los procesos

biológicos y químicos en todo el sistema suelo-planta (Robinson, et al., 2008) y

(Vereecken, et al., 2008.).

Frente a la reflectometría en el dominio del tiempo (TDR), que se ha consolidado como

método para la medida de humedad en suelo (Topp, et al., 1980) y (Robinson, et al.,

2003), las técnicas de medida basadas en sondas de capacitancia y reflectometría en el

dominio de la frecuencia (FDR) se han convertido en una alternativa viable debido a sus

inherentes ventajas (Kizito, et al., 2008), bajo coste, facilidad para almacenamiento de

datos e instalación, posibilidad de monitorización continua y funcionamiento en un amplio

rango de tipos de suelos.



9

El principal inconveniente de estas técnicas (Chen & Or, 2006) es que, al operar en un

espectro de frecuencia en la zona baja del rango de los TDR o menor, son más sensibles a

perturbaciones del entorno, como por ejemplo la temperatura, la textura o la

conductividad eléctrica ( (Topp, et al., 2000), (Zhang, et al., 2004), (Bogena, et al., 2007)).

La frecuencia de operación es el principal factor que afecta a las medidas de una sonda de

capacitancia, provocando sensibilidad frente a cambios en las mencionadas condiciones

del suelo.

Los sensores capacitivos Decagon (Decagon Devices,Inc., Pullman, WA) ha tenido un

relativo éxito en el mercado; sin embargo, sucesivos trabajos de evaluación y calibración

en laboratorio (Blonquist, et al., 2005), (Jones, et al., 2005.), (Bogena, et al., 2007),

(Bandaranayake, et al., 2007), (Sakaki, et al., 2008.), (Kizito, et al., 2008) ) han mostrado

una gran sensibilidad al tipo de suelo, tensión de alimentación y conductividad eléctrica

del suelo.



10

4 PROPIEDADES DEL SUELO

4.1 INTRODUCCIÓN

En los últimos tiempos, han surgidos problemas ambientales, tales como contaminación

de suelos y acuíferos, los cuales necesitan un estudio combinado de todas las áreas

relacionadas con este tema, que permitan abordar el problema en forma integral.

El nivel de riesgo de contaminación de suelos y aguas resulta de la combinación de la

carga contaminante y de la vulnerabilidad natural del ambiente a dicha contaminación.

Dado que los problemas de contaminación en los suelos vinculados a los procesos de

precipitación – escorrentía y a la actividad antrópica se producen en los primeros estratos

u horizontes del suelo a continuación se presenta el marco teórico de la formación de los

suelos, sus principales características físicas y químicas.

4.2 FORMACIÓN DEL SUELO

El suelo principalmente se forma por la acción de efectos ambientales tales como el

viento, la presión y microrganismos etc., los cuales producen en la roca madre procesos

de erosión o descomposición como también cambios a nivel químico (reorganizaciones de

los minerales), color y en su forma (textura, volumen y porosidad).

Jenny (1941) postula que el suelo está definido por los factores formadores del mismo:

clima, organismos, relieve, material parental y tiempo. Compara estos factores con las

variables de estado de la termodinámica e indicando de esta forma que los factores

caracterizan los estados del sistema suelo (Zapata, 2006) � = �(��, , , �, �) Donde:

S: Representa el suelo.

Cl: Representa el clima.



11

O: Representa a los microorganismos.

R: Representa el relieve.

P: Representa a la roca madre.

T: Representa el tiempo.

Dentro de los factores que más afectan la creación de suelo, a partir de la roca madre,

están:

� Composición mineralógica: una gran abundancia en minerales inestables, tendrá

mayor tendencia a formar suelos, por efectos de la meteorización.

� Permeabilidad: propiedad del suelo la cual transmite el paso del agua y el aire,

principales responsables de la fragmentación y alteración de los materiales.

� Clima: regula el aporte de agua y temperatura en el suelo. influyentes en la rapidez

del desarrollo de los suelos.

� Relieve: variables como la gravedad, capacidad de drenaje, ubicación del lugar para

recibir los rayos UV, afectan el transporte y erosión de la roca madre.

� Organismos: juegan un papel fundamental en crear la materia orgánica presente

en los suelos y procesar los minerales para introducirlos a los diferentes ciclos

(carbono, fósforo, nitrógeno, azufre, etc.)

Según el peso de cada uno de estos factores determinaran la velocidad de formación de

un tipo de suelo determinado. Se distinguen dos etapas de formación: la etapa inicial y la

etapa final (Ilustración 4-1), igualmente ciertos procesos juegan un rol importante dentro

de la formación del suelo tales como: Insolación, Congelación, Dilatación y Contracción,

Traslocación y Alteración Química (Casanellas, 2008).



12

Ilustración 4-1 Principales procesos en la Formación de los Suelos (CASANELLAS, 2008)

4.3 PERFIL DE SUELO

Una parte importante del suelo es la superficie, pero esto no revela todo el carácter del

suelo en su conjunto, por lo tanto es necesario hablar también en su verticalidad

comúnmente llamado perfil del suelo. Este corresponde a una sección vertical

bidimensional, es raramente uniforme en profundidad y típicamente se compone de una

sucesión de capas o estratos más o menos uniformes tal como se esquematiza en la

Ilustración 4-1. Cuando estas zonas vienen de un proceso de evolución interna

(pedogenesis) se les denominan horizontes (Muñoz & Ritte, 2005).



13

Ilustración 4-2. Unidad de estudio del suelo (pedón), distribución de los horizontes en el perfil del suelo. (Honorato, 2000)

En la definición de un perfil de suelo normal apropiado para cultivos se diferencian cuatro

horizontes, los cuales utilizan diferentes nomenclaturas entre las más comunes O, A, B, C.

Cada una de estas letras representa un horizonte con características propias del suelo.

Para establecer un tipo de horizonte del suelo bastan tan solo tres propiedades: color,

textura y estructura, aunque otras propiedades, como la consistencia, son a veces de gran

ayuda. El más mínimo cambio detectado (en una sola o en varias de estas propiedades) es

suficiente para diferenciar un nuevo horizonte (Dorronso, 2012).

Para definir los suelos es necesario designar cada uno de los horizontes encontrados en su

perfil, estos son designados a partir de un conjunto de letras jerarquizadas de tal forma

(Dorronso, 2012):



14

4.3.1 Horizontes principales:

H. Horizonte de las turbas: Acumulaciones de materia orgánica sin descomponer (>20-

30%), saturados en agua por largos períodos.

O. Capas dominadas por material orgánico (hojas, acículas, ramas, musgo, y líquenes)

sobre la superficie del suelo no descompuestos o parcialmente descompuestos, es

frecuente en los bosques.

A. Formado en la superficie son horizontes minerales, con mayor % materia orgánica

humificada unida a la fracción mineral que los horizontes situados debajo. Típicamente de

color gris oscuro, más o menos negro.

E. Horizonte de fuerte lavado. Típicamente situado entre un A y un B, con pérdida de

arcilla, hierro (Fe) y aluminio (Al) dejando concentraciones altas de arenas y limos. Son de

colores muy claros y estructura de muy bajo grado de desarrollo (típicamente laminar).

B. Horizonte de enriquecido en: arcilla (iluvial o in situ), hierro (Fe) y aluminio (Al) (iluviales

o in situ) o de materia orgánica (sólo si es de origen iluvial; no in situ). Los Horizontes B se

han formado debajo de un horizonte A, de un horizonte E, o de horizonte de O. En los

horizontes B se ha destruido todo o la mayor parte de la estructura de la roca original

De colores pardos y rojos, de cromas más intensos o enrojecen el matiz (hue). Con

desarrollo de estructura edáfica, típicamente en bloques granular, subangulares,

prismática.

C. Se incluyen como capas C todos los sedimentos, saprolitos, roca no consolidada, y otros

materiales geológicos que comúnmente no están cementados y se caracterizan por una

baja o moderada dificultad para su excavación (Zapata, 2006). Muchos son capas

minerales, excluyen a las capas de roca dura, estos se encuentran poco afectados por

procesos pedogeneticos y carecen de las propiedades de los horizontes O, A, E, o B.

R. Material original. Roca dura, coherente; no se puede cavar.



15

4.3.2 Horizontes de transición

Se presentan cuando el límite entre los horizontes inmediatos es muy difuso, existiendo

una capa ancha de transición con características intermedias entre los dos horizontes. Se

representan por la combinación de dos letras mayúsculas, la primera letra indica el

horizonte principal al cual se parece más el horizonte de transición (p.ej., AE, EB, BE, BC,

CB, AB, BA, AC y CA) (Zapata, 2006).

4.3.3 Horizontes de mezcla

Son horizontes que constan de partes entremezcladas, cada una de las cuales es

identificable con diferentes horizontes principales. Se designan con dos letras mayúsculas

separadas por una raya diagonal (p.ej. E/B, B/C) donde la primera letra indica el horizonte

principal que predomina (Pons, 2001).

4.3.4 Letras con sufijos más usuales

Las letras minúsculas se usan como sufijos, para calificar a los horizontes principales

especificando el carácter dominante de este horizonte. Pueden ser utilizadas en

horizontes de transición y se ubican después del horizonte principal.

p: Arado, (plow = arar). Prácticamente siempre referida al horizonte A, (Ap).

h: Acumulación de iluvial de materia orgánica (h de humus). Normalmente por mezcla se

usa en el horizonte B (Bh).

w: Horizonte B de alteración, (weathering = meteorización) reflejada, desarrollo de color

(más rojo o más pardo) o estructura, usados normalmente con el horizonte B (Bw).

t: Acumulación de arcilla iluvial, presencia de películas arcillosa. Usualmente utilizado con

el horizonte B (Bt), pero puede ser usado con C (Ct).

k: Acumulación de carbonatos usualmente de calcio. Usado muy frecuente en B y en C y a

veces en A (Ak Bk Ck).



16

y: Acumulación de yeso genéticamente acumulado ( Ay, By y Cy).

z: Acumulación de sales más solubles que el yeso (Az, Bz y Cz).

s: Acumulación de sesquióxidos, típico de los podzoles (Bs), también en los ferralsoles.

g: Gleyzado o moteado (abigarrado) por reducción del Fe. Manchas de colores

pardos/rojos y gris/verde, indica bajo croma <2. Comunes en horizontes B y C (Bg, Cg) y

más raramente A (Ag).

r: Fuerte reducción (meteorización) como consecuencia de la influencia del agua

subterránea, colores gris verdoso / azulados. Usado en horizontes C y a veces en B (Br y

Cr).

m: Cementado. Frecuentemente por carbonatos (Bmk), pero en otras condiciones puede

ser por materia orgánica (Bmh), por sesquióxidos de Fe (Bms) o por sílice (Bmq)

b: Horizonte de suelo enterrado (buried = enterrado), no es usado en suelos orgánicos.

4.4 FASES DEL SUELO

En el suelo coexisten tres fases: sólida (50%), liquida (20-30%) y gaseosa (20-30%) y

dependiendo del tipo de suelo es el porcentaje de las diferentes fases. Estos componentes

se encuentran interrelacionados, de manera que la organización de los componentes

sólidos entre sí, determina la cantidad de espacio poroso destinado al aire y agua

(Ilustración 4-3).

La cantidad de agua y de aire está sujeta a grandes fluctuaciones, dentro de un mismo

suelo, por la influencia del clima y del manejo de éste (Honorato, 2000).



17

Ilustración 4-3. Representación de las fases dentro del suelo (Dorronso, 2012)

4.4.1 Fase Sólida

Los principales constituyentes de la fase sólida son las especies minerales o inorgánicas y

materia orgánica.

La fracción inorgánica corresponde a una mezcla de varios componentes primarios

(cuarzo, feldespatos, etc.) y secundarios (arcillas silicatada), variando su tamaño desde la

arcilla hasta fragmentos de rocas. Determinan en relación con otros componentes, las

propiedades físicas y físico química de los suelos. Además constituyen una fuente de

nutrientes.

La fracción orgánica la componen sustancias orgánicas en diversos grados de

descomposición, incluyendo los organismos del suelo, vivos y muertos. La fracción coloidal

humificada afecta las propiedades físicas y químicas de los suelos, tales como la

porosidad, retención de agua y capacidad de intercambio catiónica entre otras. Es una de

las fuentes de nutrientes como nitrógeno, fósforo y sulfato (Wilmans & Walter, 2005).



18

Dentro de la fase sólida solamente las arcillas y la materia orgánica aportan nutrientes al

suelo. Las arcillas contienen nutrientes como potasio, sodio, calcio, hierro, magnesio, zinc,

cobalto y las partículas orgánicas proveen la principal reserva de nitrógeno y en menor

cantidad, el fósforo y el azufre. (Arias, 2007).

4.4.2 Fase Líquida del Suelo

Esta fase es una solución acuosa que contiene sales disueltas en pequeñas cantidades en

forma de iones, variable en cantidad y tiene la capacidad de disolver diferentes solutos, en

una relación dinámica entre el agua y el suelo, produciendo reacciones químicas.

Es la responsable del transporte de nutrientes desde varias partes del suelo hacia las

raíces, y de proveer de agua a la planta. Los nutrientes transportados hacia la planta están

en forma iónica que es como lo absorbe la planta por medio de la raíces.

4.4.3 Fase Gaseosa del suelo

Corresponde al producto del intercambio entre numerosos organismos vivientes del suelo

y la “atmósfera” del suelo y, al igual que la atmósfera exterior, es una mezcla de gases

tales como O2, N2, CO2 y gases menores. El suelo posee un mayor contenido de CO2 y en

menor de N2 y O2 que el aire exterior, debido a la actividad biológica del suelo.

La humedad relativa de esta atmósfera puede llegar al 100% ya que parte del aire se

encuentra disuelto en la solución del suelo. Además, proporciona el oxigeno necesario

para la vida de la mayoría de los organismos del suelo y las plantas (Honorato, 2000).

4.5 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS

Para caracterizar completamente la estructura de los suelos existen una serie de

propiedades físicas, tanto primarias (textura, estructura, porosidad, peso, color y

estratificación) y secundarias (drenaje y almacenamiento de agua, temperatura, capacidad

de soporte, capilaridad, etc). Cada una de estas propiedades actúa en procesos los cuales



19

son importantes para diferentes funciones como agrícolas, ingenieriles y ambientales,

algunos de estos procesos se presentan en la Tabla 4-1:

Producción de Biomasa

Procesos Propiedades Funciones del suelo

Compactación Densidad, porosidad,

distribución y tamaño de la

partícula, estructura del

suelo

Crecimiento de las raíces,

absorción de agua y

nutrientes por las plantas

Erosión estabilidad estructural,

erodibilidad, tamaño de las

partículas, infiltración y

conductividad hidráulica,

trasnportabilidad



nutrientes, y aireación

Movimiento del agua conductividad hidráulica,

distribución y tamaño de los

poros, tortuosidad

Disponibilidad de agua para

las plantas, transporte

químico

Aireación Porosidad, distribución y

tamaño de los poros,

estructura del suelo,

gradiente de concentración,

coeficiente de difusión.

Desarrollo y crecimiento de

las raíces, respiración del

suelo y planta

Transferencia de calor Conductividad térmica,

contenido de humedad en

el suelo



nutrientes, actividad

microbiana



20

Funciones de Ingeniería

Sedimentación Distribución y tamaño de la

partícula, dispersividad

Infiltración, calidad del agua

Subsidencia Esfuerzos en el suelo,

contenido de agua en el

suelo, porosidad

Traficabilidad, capacidad de

almacenamiento

Movimiento del agua Porosidad y conductividad

hidráulica

Drenaje, infiltración y

eliminación de residuos

Compactación Esfuerzos del suelo,

compactibilidad, textura

Esfuerzos de fundación

Funciones ambientales

Absorción/adsorción Distribución y tamaño de la

particular, área superficial,

densidad de carga

Filtración, regulación en la

calidad de agua, eliminación

de residuos

Difusión/aireación Porosidad total y aireación,

tortuosidad, gradiente de

concentración

Emisión de gases del suelo

hacia la atmosfera

Tabla 4-1. Procesos y propiedades físicas en funciones de la Agricultura, Ingeniería y Ambiental (Ratan & Manoj, 2005).

4.5.1 Porosidad

La porosidad (�) está determinada por las características cuantitativas y cualitativas del

espacio del suelo no ocupado por los sólidos, denominado espacio poroso. Dentro del

espacio poroso se distinguen los macroporos y los microporos, donde los primeros no

retienen el agua gravitacional, y por tanto son los responsables del drenaje y la aireación

del suelo, constituyendo además, el principal espacio en el que se desarrollan las raíces.

Los demás retienen agua que estará disponible para las plantas. La porosidad total o

espacio poroso del suelo, es la suma de los macroporos y microporos. Las características

del espacio poroso, dependen de la textura y estructura del suelo. (Rucks, et al., 2004)



21

En términos volumétricos podemos escribir la siguiente relación:

Ecuación 4-1

�� = �� + �� + ��

Si la ecuación 4-1 la dividimos por el Volumen total, tenemos que:

Ecuación 4-2

� = 1 − ��

Igualmente existe una clasificación funcional de los poros existentes en el suelo tal como

se muestra en la Tabla 4-2

Tipo Función Diámetro Cilindro

equivalente (µm)

Poros de Transmisión Movimiento del aire y del

drenaje en exceso de agua

>50

Poros de Almacenamiento Retención de agua contra

gravedad

0.5-50

Poros Residuales Retención y dispersión de iones

en solución

0.005-0.5

Espacios de Enlace Soporta fuerzas más importantes

entre las partículas del suelo

<0.005

Tabla 4-2. Clasificación funcional de los poros en el suelo (Wilmans & Walter, 2005)

4.5.2 Contenido de agua en el Suelo

Existen dos formas de expresar el contenido de agua presente en el suelo:

a) Contenido de Humedad Gravimétrico(��)



22

Ecuación 4-3

�� = � ��

Donde �! es la masa de agua y �� es la masa de suelo.

b) Contenido de Humedad Volumétrica (�") o directamente θ.

Ecuación 4-4

�" = � �#

Donde �! es el volumen de agua y �# es el volumen total de suelo medido.

La función que nos permite vincular las dos formas de medición del contenido de agua en

el suelo, es:

Ecuación 4-5

�" = �� ∗ %�

Donde %� corresponde a la densidad aparente del suelo.

4.5.3 Medición del contenido de humedad del suelo

La evaluación del contenido de humedad en el suelo a diferentes estados de succión en el

campo requiere considerable tiempo y esfuerzo, así también como equipos.El esfuerzo,

tiempo y equipo necesario dependerá del rango de interés requerido de los datos, ya sean

entre –15 a –20 x 102 kPa o sólo entre 0 a –50 kPa.

El área del suelo y la profundidad para la cual es necesario la determinación de la relación,

debe ser definido cuidadosamente. La selección del tamaño del área donde se realizarán

los estudios dependerá de la variabilidad existente en el lugar cuya caracterización es el

objetivo final del estudio. En ciertas ocasiones las características del suelo - agua varía más

con la profundidad que con el área.



23

La humedad en el suelo depende principalmente de la textura o de la distribución del

tamaño de partículas. Por otra parte, el contenido de materia orgánica y la composición

de la fase solución pueden jugar un rol determinante en la función de humedad en el

suelo o función de retención. La materia orgánica tiene un efecto directo en la función de

retención debido a su naturaleza hidrofílica, y un efecto indirecto debido a la modificación

de la estructura del suelo que puede ser afectada por la presencia de materia orgánica

(Reyna, 2000).

Existe en la actualidad diferentes equipos y técnicas para las mediciones entre los cuales

se pueden mencionar sonda de neutrones, tensiómetros, sensores, reflectometría entre

otros los cuales se describen a continuación.

4.5.3.1 Sonda de neutrones

Esta técnica se basa en la teoría que los neutrones rápidos son termalizados cuando ellos

chocan con un cuerpo de masa similar, tales como los núcleos de hidrógeno La energía de

los neutrones es transmitida a los protones lo cual causa que el “rebote o choque”

neutrónico sea mucho más bajo. La aplicación de esta técnica consta de tres pasos: 1)

emisión de neutrones rápidos desde una fuente radioactiva, 2) atenuación de la velocidad

de los neutrones tras sucesivas colisiones con los átomos al punto de emisión y 3)

contabilización de los neutrones con velocidad atenuada por un detector cercano a la

fuente. Por medio de impulsos eléctricos los neutrones captados por el detector se

traducen en una lectura digital. Ya que el número de neutrones atenuados detectados es

proporcional al número de colisiones entre neutrones y núcleos de hidrógeno, los cuales

reflejan el contenido de agua del suelo. (Van Bavel, et al., 1954).Para convertir la lectura

de la sonda de neutrones en humedad volumétrica, es necesario un modelo de

calibración, donde la humedad volumétrica del suelo es el factor principal. Existen algunos

factores que influyen en las mediciones como el hidrógeno de la materia orgánica, cloro,

hierro y boro presentes en el suelo, capaces de atenuar los neutrones y absorber en sus

núcleos neutrones termalizados (Vélez, et al., 2007.).



24

4.5.3.2 Tensiómetros

Los tensiómetros son ampliamente utilizados para medir el contenido de agua disponible

del suelo cuando el potencial matricial es alto (Richards, 1965). Estos aparatos son

simples, no son muy caros y son muy prácticos en los sistemas agrícolas. Se componen de

una cápsula cerámica porosa permeable al agua y a los solutos, conectada a un

manómetro mediante un tubo plástico transparente que se llena de agua, de tal manera

que la columna de agua en su interior forma un continuo con el agua de la solución del

suelo en el espacio circundante, a través de la cápsula porosa. Los valores que se obtienen

reflejan la tensión del suelo, son valores negativos, y su intervalo de funcionamiento es de

0 a –80 kPa, por debajo de éste valor la columna de agua se rompe, penetrando el aire e

invalidando las medidas siguientes.

Los tensiómetros son insensibles al potencial osmótico del agua en el suelo y por lo tanto

no proporcionan una adecuada medición del potencial hídrico en suelos con salinidad

significativa. Los tensiómetros frecuentemente se utilizan en combinación con el aspersor

de neutrones, bloques de resistencia o psicrómetros para cubrir el rango total de

humedad del suelo. Requieren de un mantenimiento relativamente frecuente, que

consiste en adicionarle agua más una solución para el control de las algas (Vélez, et al.,

2007.).

4.5.3.3 Bloques de yeso

Constan de dos electrodos en un bloque cilíndrico de yeso que mide la resistencia

eléctrica al paso de la corriente. El intervalo de funcionamiento oscila entre -30 y -1000

kPa. Son simples, fáciles de instalar, se usan para hacer mediciones en suelos secos,

aunque son poco efectivos en condiciones húmedas. Por ello no se adaptan bien a los

riegos de alta frecuencia, necesitan calibración y su vida útil está limitada por la duración

del yeso. La disolución del yeso crea una solución saturada en los electrodos que sirve

para tamponar los efectos de salinidad de la solución del suelo sobre la resistencia

eléctrica medida en rangos de hasta 2 dS m-1 (Scanlon, et al., 2002).



25

4.5.3.4 Sensores de matriz granular

Han sido desarrollados recientemente (fueron patentados en 1985 y fabricados

comercialmente desde 1989) y operan con el mismo principio que un bloque de yeso.

Mide la resistencia eléctrica entre dos electrodos introducidos en un pequeño cilindro

compuesto de un material poroso. Cada dispositivo se encuentra recubierto por una

membrana que consiste en un acoplamiento de acero inoxidable, cubierto externamente

por una goma que hacen al sensor más duradero que el bloque de yeso. Sin embargo, el

registrador viene calibrado para dar el valor en tensión de agua, mediante una ecuación

que toma en cuenta la temperatura del suelo estimada o medida cerca del sensor. El

tamaño de los poros en la matriz es mayor que la de los poros en los bloques de yeso,

permitiendo mayor sensibilidad en el rango más húmedo de contenido de agua en el suelo

(Vélez, et al., 2007.).

4.5.3.5 Sensores dieléctricos

Las sondas TDR y FDR miden la constante dieléctrica del medio, la cual es una propiedad

intrínseca de éste (Ferré & Topp, 2002). El sistema FDR calcula la humedad de un suelo

mediante la respuesta a cambios en la constante dieléctrica del medio usando una técnica

de reflectometría de dominio de frecuencias conocida como capacitancia mientras que el

TDR usa la reflectometría en el dominio del tiempo (Pty, 1999.).

4.5.3.6 Reflectometría en el dominio del tiempo (TDR)

El sistema TDR consiste en un osciloscopio conectado a dos o tres varillas metálicas que se

insertan paralelas en el suelo. Si se aplica una diferencia de potencia a un extremo de las

varillas, la energía se trasmite a lo largo de las mismas hasta su extremo, donde son

reflejadas hacia el osciloscopio. En el mismo se mide la evolución del potencial a lo largo

del tiempo. La velocidad de transmisión de la onda en el viaje de ida y vuelta depende de

la constante dieléctrica (&) del suelo que rodea las varillas, a través de la siguiente

expresión:



26

Ecuación 4-6

& = '()2+,-

(: velocidad de la luz

): tiempo de la propagación de la onda

+: largo de las varillas

Algunos equipos constan de dos partes principales: la unidad electrónica, y las guías de

onda. La unidad electrónica contiene el osciloscopio y el procesador central, el cual

controla todas las funciones de medición, visualización, y almacenaje. Las guías de onda

pueden ser instaladas en forma horizontal o vertical y quedar permanentemente en el

suelo para poder hacer medidas periódicas en la misma localización o utilizarse en forma

portátil. Las barras pueden ser 2 o 3 con lo cual registra un mayor volumen de suelo y

miden entre 10 cm hasta 2 m, aunque generalmente no pasan de 60-70 cm.

El TDR utiliza una serie de tablas de conversión para convertir la constante dieléctrica a un

porcentaje de humedad en el suelo. Hay diferentes tablas de conversión para ser usadas

con los distintos tipos de guías de onda. No es necesario tener una tabla distinta para los

diferentes tipos de suelos ya que la constante dieléctrica depende más de la cantidad de

agua que de los otros componentes del suelo. El aparato calcula el valor promedio de la

humedad sobre la longitud total de las guías de onda. Permite tomar medidas manuales,

utilizando tanto sensores fijos como portátiles, o medidas continuas conectando sensores

fijos a un data-logger.

4.5.3.7 Reflectometría en el dominio de las frecuencias (FDR)

El FDR también es conocido como sonda de capacitancia. Los electrodos y el suelo

adyacente forman un condensador cuya capacidad es función de la constante dieléctrica

del suelo. Ésta se relaciona empíricamente con el contenido volumétrico de agua. Un



27

oscilador de alta frecuencia (> 150�ℎ2) opera con el suelo (dieléctrica) formando parte

de un capacitor ideal, como se muestra en la siguiente ecuación:

Ecuación 4-7

� = &345/7 La constante dieléctrica (&) se relaciona con la capacitancia (�) a través de la relación del

área total del electrodo (5) y el espaciamiento de los electrodos (7), siendo 3� , la

permeabilidad del espacio libre, esta es una constante.

Un sensor de capacitancia requiere de una calibración de la sonda para cada suelo y

horizonte para obtener una medida optima de la humedad volumétrica. El volumen de

suelo medido no es dependiente del tipo de suelo o del contenido de agua y se aproxima a

un cilindro 10 cm de alto con un diámetro de cerca de 25 cm, asumiendo que no hay

espacios con aire (García P., 2008).

4.5.4 Capilaridad en Medios Porosos

Un suelo puede suponerse como una serie de canales, cada uno capaz de actuar como un

tubo de ascenso capilar. La altura de ascenso capilar, depende del tipo de suelo, diámetro

de los poros y si el suelo está humedeciéndose o secándose (histéresis). Este efecto se

puede apreciar en función del tipo de suelo ver Tabla 4-3 .

Material Diámetro d_10 (mm) Ascenso Capilar (cm)

Arcilla 0.0005 3,060

Arcilla 0.005-0.001 610-3,050

Suelo Arcilloso - 200-400

Limo - 61-610

Suelo Arenoso - 100-150

Suelo Podsólico - 35-40

Arena Fina 0.025-0.05 12-65



28

Material Diámetro d_10 (mm) Ascenso Capilar (cm)

Arena Media - 12-35

Arena Gruesa - 12-15

Calizas y Areniscas Fracturadas - 120-450

Tabla 4-3. Capilares Máximos en diferentes Terrenos y Suelos (Custodio LLamas & Vilaro, 1976)

4.5.5 Conductividad Hidráulica Saturada

La conductividad hidráulica expresa la capacidad de un medio poroso para transmitir

agua. En términos simples la conductividad hidráulica corresponde a la resistencia que

opone el suelo al paso de un líquido. Esta resistencia varía según el tipo de suelo, material

que lo compone y el líquido que transita a través del suelo. En la Tabla 4-4, se puede

apreciar algunos de los valores típicos de conductividad hidráulica en función del tipo de

material.

Material K (cm/seg)

Grava limpia > 1

Arena Gruesa 1 a 10-2

Mezcla de Arena 10-2 a 5 . 10-3

Arena Fina 5·. 10-3 a 10-3

Arena Limosa 2 .·10-4 a 10-4

Limo 5·. 10-4 a 10-5

Arcillas < 10-6

Tabla 4-4 Valores Típicos de Conductividad (Custodio LLamas & Vilaro, 1976)

Hubbert (1956) mostró que la constante de proporcionalidad de Darcy, K o conductividad

hidráulica, es una función de propiedades del medio poroso y el fluido que pasa a través

de él. Asumiendo que el flujo ocurre a través de tubos capilares paralelos en la dirección

de las líneas de corriente, la relación entre la velocidad actual (89) y la velocidad de Darcy (8) es:



29

Ecuación 4-8

89 = 55:�; ∗ 8

Donde A es el área normal a la dirección del flujo y 5:�; es la suma de las áreas

transversales de los tubos capilares. Esta ecuación es correcta para el modelo de tubos

capilares, sin embargo esta velocidad estimada es razonable en suelos o materiales de

acuíferos.

Por lo que se escribe que:

Ecuación 4-9

& = < => = < %?=

Donde < es la permeabilidad intrínseca del suelo. En la última expresión % es la densidad

del fluido y ? es la aceleración de gravedad.

Además debe tenerse en cuenta que al no ser los suelos isotrópicos los valores de

conductividad varían para las distintas direcciones, es decir que la conductividad

hidráulica es un tensor, es decir que tiene nueve componentes:

Ecuación 4-10

KzzKzyKzx

KyzKyyKyx

KxzKxyKxx

=K

En realidad al ser la naturaleza simétrica Kij= Kji. Por otro lado se pueden realizar una

rotación de los ejes de manera de determinar los valores propios y vectores propios y la

conductividad hidráulica queda expresada a través de 3 valores, como se presenta en la

Ecuación 4-11 (Reyna, 2000):



30

Ecuación 4-11

3

2

1

00

00

00

K

K

K

=K

Finalmente, es claro que la conductividad hidráulica depende del contenido de agua en el

suelo. Al encontrarse un suelo en la zona vadosa el mismo no se encuentra saturado y por

ende el contenido de humedad del mismo es menor a la humedad de saturación. Para

este estado los poros del suelo se encuentran parcialmente ocupados por agua y

parcialmente ocupados por aire con un estado tensional menor que el atmosférico

(succión).

La cuantificación tanto del coeficiente de permeabilidad como de la conductividad

hidráulica puede ser realizada a través de dos tipos de métodos diferentes, los indirectos y

directos. Los métodos directos se pueden subdividir a su vez en dos grandes categorías:

campo y laboratorio.

Las conductividades hidráulicas obtenidas por métodos que empleen cualquier condición

de frontera serán útiles en flujos de agua en suelos uniformes, mientras que la precisión

de las mediciones en suelos no uniformes dependerá de la relevancia de la conductividad

hidráulica equivalente medida. Es decir para aumentar la precisión el patrón de flujo en la

medición debe ser lo más cercano posible al problema analizado, ya que las variaciones

locales de la conductividad hidráulica producen cambios bruscos en los flujos.

En la Tabla 4-5 se muestra los métodos más conocidos para la medición de la

conductividad hidráulica saturada y la Tabla 4-6 los métodos para la medición de la

conductividad hidráulica parcialmente saturada (Donado, 2004.).



31

CLASE DE MÉTODO MÉTODO EQUIPO COMENTARIO

Método de

Laboratorio en Suelos

Saturados

1. Permeámetro de

carga constante

ES Se usan pequeños núcleos y columnas

de suelo

Permeámetro de

carga variable

ES Se usan pequeños núcleos y columnas

de suelo

3. Permeámetro oscilante

AE

Se usan pequeños núcleos y columnas de suelo. Sólo es necesario agregar una pequeña cantidad de agua.

Método de Laboratorio en Suelos Parcialmente Saturados

1. Método de Infiltración

Se usan columnas largas de suelo uniforme

2.Permeámetro de momento variable

Se usan columnas cortas de suelo uniforme

Método de campo con nivel freático

1. Hoyo con barrena Muestras de suelo bajo el nivel freático

2. Piezométrico Muestras de suelo en la vecindad de la base abierta

3. Dos pozos Muestras de suelo entre las dos perforaciones

4. Bombeo de pozos EPP Usadas en pruebas de acuíferos a profundidad

5. Drenaje de tierra ES Muestras de suelo entre las líneas de drenaje

Método de campo sin nivel freático

1 Permeámetro de hoyo perforado

ES Muestras de suelo en la vecindad de la superficie húmeda

2. Permeámetro con entrada de aire

AE Muestras de suelo dentro del tubo aislado

3. Infiltrómetro de disco

ES Muestras de suelo cercana a la superficie

4. Goteo ES Muestras de suelo cercana a la superficie

5. Sorptividad AE

Muestras de pequeño volumen (También puede clasificarse como un método de laboratorio con suelos parcialmente saturados)

6. Infiltrómetro de presión

AE

Usado en muestras de baja permeabilidad (También puede clasificarse como un método de campo con nivel freático)

7. Infiltrómetro de doble anillo

ES Muestras de suelo cercana a la superficie

ES: Equipo simple, usualmente encontrado los laboratorios de suelos o fácilmente fabricable. Los métodos de campo usualmente requieren perforación. AE: Aparato especial, requiere taller para facilitar su ensamble. EPP: Equipo de perforación de pozos

Tabla 4-5 Resumen de los métodos de medición de la Conductividad Hidráulica Saturada (Adaptado de Dirksen, 2001)



32

ESTA

BLE

LAB

OR

AT

OR

IO

Carga Controlada

Flujo Controlado

Tasa estable (columna larga)

Evaporación regulada

Flujo de Potencial matricial

CA

MP

O

Infiltrómetro rociador

Columna aislada (corteza)

Cavidad esférica

Infiltrómetro de tensión de disco

TRA

NSI

TO

RIO

LAB

OR

AT

OR

IO

Plato de presión

Salida de un paso

Boltzman (Tiempo fijo)

Boltzman (Posición fija)

Aire caliente

Sorptividad (flujo controlado)

Perfil Instantáneo

Evaporación de viento

CA

MP

O

Perfil instantáneo

Gradiente unitario, prescrito

Gradiente unitario, simple

Infiltrómetro rociador

Tabla 4-6 Métodos de medición de la conductividad hidráulica en Suelos Parcialmente Saturados (Adaptado de Dirksen, 2001).

4.6 PROPIEDADES FÍSICO QUÍMICA DE LOS SUELOS

Todas las propiedades físicas químicas de los suelos reposan en la fracción coloidal de los

mismos, es decir, las partículas de tamaño inferior a un micrón (0,001 mm). Esta fracción

está en contacto y en equilibrio con la fase liquida, que es el agua del suelo. Para este tipo

de partículas existen otro tipo fuerzas que ejercen una acción importantísima sobre estas

diferentes a las que actúan en partículas de mayor tamaño.

Esto es debido a que en estos granos, la relación de área a volumen alcanza valores de

consideración y fuerzas electromagnéticas desarrolladas en la superficies de los

compuestos minerales toman significación (Rico, 2005).

APLICACIÓN DE UN MODELO UNIDIMENSION

APLICACI

4.6.1 Capacidad de Interca

Esta propiedad vincula las par

coloidal de la materia orgánica

como ácidos o como bases (ge

características de pH del suelo,

el grado de acidez del suelo

Igualmente la capacidad de in

de la solución circundante en e

Las causas de la capacidad de c

� Sustituciones atómicas

� Existencia de bordes (su

� Disociación de los OH d

� Enlaces de Van der Wa

entre dos grupos no

importantes cuando su

Ilustración 4-4 Intercambio entre los cati

El CIC se expresa en centimol

Na+, que son intercambiados

llegándose siempre a un equilib

IONAL PARA FLUJO EN SUELOS SATURADOS Y NO SATURADOS Y TRANSPOR

ACIÓN EN ZONA CENTRO DE LA PROVINCIA DE CÓRDOBA

ercambio Catiónico (CIC):

partículas de arcilla y limo de la fracción mineral

nica. En los suelos existen partículas que se puede

s (generando carga positiva o negativa) y depend

elo, por lo que la capacidad de intercambio catióni

elo, es decir es mayor si el pH del suelo es m

e intercambio también crece con la velocidad y co

en el suelo (Rico, 2005).

de cambio de cationes de las arcillas son:

icas dentro de la red.

(superficies descompensadas).

H de las capas basales.

Waals, que es un tipo de forma electrostática y

no cargados. Son muy débiles individualmente

su número es elevado.

cationes de las partículas y los cationes libres de la solución del suelo. (D

imoles/kg. Los cationes más importantes son Ca2+

dos por Al3+ y H+. Corresponde a un mecanism

uilibrio.

SPORTE DE HERBICIDAS.

33

eral y la fracción

eden comportar

endiendo de las

nico crece con

s menor que 7.

y concentración

a y se establece

ente, pero son

(Dorronso, 2012)

Ca2+, Mg2+, K+,

ismo reversible,



34

La capacidad de intercambio catiónico (CIC) de algunos de los materiales más comunes en

los suelos se presentan en la Tabla 4-7.

Naturaleza de la partícula CIC, meq/100g

Cuarzo y feldespatos 1-2

Óxidos e hidróx. Fe y Al 4

Caolinita 3-15

Ilita y clorita 10-40

Montmorillonita 80-150

Vermiculita 100-160

Materia orgánica 300-500

Tabla 4-7. La capacidad de intercambio catiónico (CIC) de algunos de los materiales.

� La importancia de la capacidad de intercambio es:

� Controlar la disponibilidad de nutrientes para las plantas: K+, Mg++, Ca++, entre

otros.

� Interviene en los procesos de floculación-dispersión de arcilla y por consiguiente

en el desarrollo de la estructura y estabilidad de los agregados.

� Determina el papel del suelo como depurador natural al permitir la retención de

elementos contaminantes incorporados al suelo.

4.6.2 Acidez del suelo:

Se refiere al grado de acidez o basicidad del suelo y se define como pH expresado como el

logaritmo de la inversa de concentración en hidrogeniones (H+). En los suelos los

hidrogeniones están en la solución, pero también existen en el complejo de cambio. Así

hay dos tipos de acidez: una la activa o real (debida a los H+ en solución) y otra de cambio

o de reserva (para los H+ adsorbidos). Ambas están en equilibrio dinámico. Si se eliminan

H+ de la solución se liberan otros tantos H+ adsorbidos.

Como consecuencia el suelo muestra una fuerte resistencia a cualquier modificación de su

pH. Los factores que hacen que el suelo tenga un determinado valor de pH son diversos,

APLICACIÓN DE UN MODELO UNIDIMENSION

APLICACI

fundamentalmente: naturalez

complejo adsorbente (saturado

La asimilación de nutrientes d

nutrientes se pueden bloquear

para las plantas, por lo que un

desarrollo de las plantas como

.

Ilustración 4-5

4.6.3 Potencial de oxidació

Las condiciones de oxidación

de meteorización, formación

relacionadas con la disponibilid

La formulación química de las r

ESTADO OXIDA

IONAL PARA FLUJO EN SUELOS SATURADOS Y NO SATURADOS Y TRANSPOR

ACIÓN EN ZONA CENTRO DE LA PROVINCIA DE CÓRDOBA

aleza del material original, factor biótico, pre

rado en cationes ácidos o básicos) (Casanellas, 2008

es del suelo está influenciada por el pH, ya que d

uear en determinadas condiciones de pH y no son

e un pH alrededor de 6-7,5 son las mejores condic

omo se observa en la Ilustración 4-5

5 Disponibilidad de nutrientes según su acidez (Brady, 1994)

ación - reducción

ón-reducción del suelo son de gran importancia p

ión de diversos suelos y procesos biológicos, ta

ibilidad de ciertos elementos nutritivos.

las reacciones de oxidación-reducción es la siguient

XIDADO + ELECTRONES <=> ESTADO REDUCIDO

SPORTE DE HERBICIDAS.

35

precipitaciones,

2008).

e determinados

son asimilables

ndiciones para el

ia para procesos

también están

iente:



36

En el suelo existe un equilibrio entre los agentes oxidantes y reductores. La materia

orgánica se encuentra reducida y tiende a oxidarse, es reductora, ya que al oxidarse tiene

que reducir a otro de los materiales del suelo. Por el contrario el oxígeno es oxidante. Por

otra parte hay muchos elementos químicos que funcionan con valencias variables,

pudiendo oxidarse o reducirse según el ambiente que predomine. Los procesos de

oxidación reducción envuelven a elementos que pueden actuar con diferentes valencias y

entre ellos tenemos: Fe, Mn, S, N.



37

5 MOVIMIENTO DEL AGUA

5.1 INTRODUCCIÓN

El movimiento del agua a través del interior del perfil del suelo, es dominado por las

características de dicho sistema poroso. El flujo de agua es gobernado por un factor

hidráulico, un factor gravitacional y un factor de capilaridad del suelo. En un suelo no

saturado el movimiento del agua se produce por las condiciones de humedad y la

conductividad hidráulica.

El movimiento de agua en el suelo se debe a que el potencial total en el sistema suelo no

se encuentra en equilibrio, por lo tanto existe una diferencia de potencial entre diferentes

puntos del sistema. Se presenta un flujo de agua en el suelo, el cual se desplaza desde un

potencial menos negativo (mayor potencial) hacia un potencial más negativo (menor

potencial); cuando el potencial total se iguala en los diferentes puntos del suelo, se dice

que el sistema está en equilibrio y cesa el movimiento del agua.

En condiciones de saturación (o capacidad de campo), los suelos de textura gruesa

presentan una mayor conductividad, como consecuencia del mayor tamaño de sus poros,

los cuales permiten más fácil la transmisión del agua. Sin embargo, a potenciales mátricos

bajos, las mayores conductividades se logran en suelos de texturas finas, ya que poseen

una sección efectiva de transmisión en esas condiciones, superior a los suelos de textura

gruesa.

Este capítulo presenta la definición de conceptos asociados al flujo en medios porosos y

los fundamentos para el modelamiento del movimiento del agua en el suelo.

5.2 SISTEMA SUELO-AGUA

Las plantas son la principal vía de paso del agua del suelo a la atmosfera. Las plantas

pueden producir déficit hídrico (potenciales hídricos bajos) como resultado de varios

factores: contenidos bajos de humedad en el suelo, resistencia hidráulica radicular



38

elevada, altos flujos de transpiración o cualquier combinación de estos (Candela & Varela,

1993).

Las relaciones hídricas entre el suelo y las plantas en la zona radicular se resumen por

medio del siguiente balance de agua:

Riego + Lluvia = Evapotranspiración + Drenaje + Incremento de humedad

Las plantas juegan un papel muy importante dentro del balance de agua en el suelo, ya

que influyen en la evapotranspiración que es uno de los componentes principales del

balance de agua en los suelos agrícolas y porque su crecimiento está ligado al estado

hídrico del suelo.

La simulación del movimiento del agua en el suelo tiene muchas aplicaciones en

hidrología, meteorología, agronomía, protección del medio ambiente y otras disciplinas

relacionadas con el manejo del ambiente.

Por lo tanto, el flujo se define a través de ecuaciones que describen los fenómenos de

flujo y de transporte a nivel macroscópico. En este contexto el movimiento del agua en el

suelo se describe mediante la generalización que propuso Buckinghan de la ecuación de

Darcy en condiciones de no saturación, a ello se debe que algunos autores, (Kutilek &

Nielsen, 1994) y (Jury, et al., 1991.) usen la denominación Darcy- Buckingham. Esta

ecuación combinada con la ecuación de continuidad genera lo que se conoce como la

ecuación de Richards (1931).

5.2.1 Ley de Darcy

La ley física que describe el movimiento del agua a través de suelos fue propuesta por

Darcy en 1856. Darcy encontró que la velocidad del agua que fluye en un medio poroso es

directamente proporcional al gradiente hidráulico causado por el flujo.

La forma más general de la Ley de Darcy expresa que el agua en un medio poroso, se

mueve en dirección contraria al gradiente de energía ∇ABBB. Si se considera un punto



39

arbitrario de un fluido, dentro de un medio poroso, la energía total se compone de

energías de gravedad, presión y cinética.

No obstante, en suelos, la componente cinética resulta despreciable. La energía total debe

definirse en forma relativa a una posición de referencia, y la misma puede expresarse

como energía por unidad de peso de fluido. En este caso, la energía total se denomina

potencial o carga hidráulica, o simplemente carga total (Gonzalo M., 2008) .

El gradiente de potencial en suelo ∇AC, sus los principales componentes del potencial total

son la carga gravitacional, ℎ� y la carga matricial ℎ9 o presión de poros (ignorando las

demás componentes de potencial).

También involucra un factor de proporcionalidad que se conoce como conductividad

hidráulica [K], la cual depende de la naturaleza del medio y de su grado de saturación,

obteniendo la ley de Darcy escrita como:

Ecuación 5-1

D = −E&F∇Gℎ� + ℎ9H = −E&FI 'ℎ� + �;% ∗ ?, Donde D, es el vector velocidad de Darcy del líquido. E&F Es la conductividad hidráulica;

escribiéndose ésta como un tensor de segundo grado para un suelo anisotrópico, y ∇ es el

operador gradiente, que da el carácter vectorial al producto ∇AC (gradiente hidraulico). El

signo negativo de la Ecuación 5-1 indica que el agua fluye en la dirección que disminuye la

carga total.

Si medio poroso es isotrópico si en todas sus direcciones EJ, K, 2F la conductividad

hidráulica saturada es igual L&M = &N = &O = &P. Adicionalmente si el suelo no se

encuentra saturado, el flujo se encuentra en la zona vadosa (no saturada), y en esta

posición, la conductividad hidráulica depende del contenido de humedad del punto en

consideración, � por lo que la Ley de Darcy se escribe como:



40

Ecuación 5-2

D = −E&(�)F∇ 'ℎ� + �;% ∗ ?,

Considerando únicamente flujo unidimensional en la dirección 2 se tiene que (Donado,

2004.):

Ecuación 5-3

D = −&(�) ∙ RRS 'S + �;% ∗ ?, = −&TR UVWX∗�YRS + 1Z

5.2.2 Formulación de ecuaciones de flujo en medios porosos

5.2.2.1 Definición de zonas de humedad

En un suelo el agua que ocupa los espacios vacíos generalmente se encuentra

distribuida en una serie de zonas verticales de humedad las cuales se denominan

de la siguiente manera (Ilustración 5-1):

Ilustración 5-1 Subdivisiones dentro del perfil del suelo de los diferentes estados de humedad



41

� Zona Parcialmente Saturada o Zona de Presiones Intersticiales Negativas

Está limitada inferiormente por la superficie freática y superiormente por la superficie del

terreno, usualmente se le conoce como zona vadosa o zona de aireación y en ella se

pueden distinguir tres sub-zonas: la primera de ellas es la sometida a evapotranspiración

la cual está comprendida entre la superficie del terreno y los extremos radiculares de la

vegetación; la segunda es la intermedia que se ubica debajo de la anterior pero que no

presenta formaciones radiculares y, la tercera es la capilar en la cual los poros se hallan

saturados pero el agua de poros presenta una succión (presión inferior a la atmosférica)

por efecto del ascenso capilar desde la zona saturada (cuya superficie se encuentra a

presión atmosférica). El límite entre las sub-zonas capilar e intermedia puede ser o no

claramente apreciable dependiendo de las características del suelo

� Zona Saturada o Zona de Presiones Intersticiales Positivas

Es aquella limitada superiormente por la superficie freática y en donde el agua llena todos

los espacios vacíos o poros existentes en el medio, y se encuentra experimentando

presiones positivas en relación con la presión atmosférica.

5.2.2.2 Medio poroso volumen elemental representativo

El análisis de flujo de agua en el suelo se basa en la comprensión del fenómeno físico y la

descripción matemática de estos procesos. La ley de flujo de Darcy, junto con la ecuación

de continuidad que describe la conservación de masa del fluido a través de un elemento

de volumen representativo (VER), resulta en la ecuación diferencial en derivadas parciales

que describe flujo de agua en medios porosos (Feyen, et al., 1998).

5.2.3 Flujo en medios porosos saturados

La ley de conservación de masa para flujo estacionario a través de medios porosos

requiere que el flujo de masa de fluido que ingresa dentro del VER sea igual al flujo de

masa de fluido que egresa del VER. La ecuación de continuidad expresa esta ley en forma

matemática y puede escribirse como



42

Ecuación 5-4

R(% ∙ 8M)RJ + R(% ∙ 8N)RK + R(% ∙ 8O)R2 = 0

Donde

8� : Velocidad de flujo de agua a través de un área unitaria de suelo en dirección [ = J, K, 2

Considerando que el fluido es incompresible, entonces (%) es constante y sustituyendo la

ley de Darcy en Ecuación 5-4 se obtiene la ecuación de flujo estacionario de un medio

poroso saturado anisótropico Ecuación 5-5,

Ecuación 5-5

RRJ '&M RℎRJ, + RRK '&N RℎRK, + RR2 '&O RℎR2, = 0Donde

&�: Conductividad hidráulica saturada

A : Carga hidráulica total A = 2 + V\X∗�

Para un medio isótropo y homogéneo &M = &N = &O = & entonces la ecuación de flujo

para un medio poroso saturado isótropo y homogéneo es igual a:

Ecuación 5-6 R-ARJ- + R-ARK- + R-AR2- = 0

También conocida como ecuación diferencial de Laplace y la solución de esta ecuación es

una función A(J, K, 2) que describe el valor de carga hidráulica en un punto del espacio

tridimensional (Freeze & Cherry, 1979)



43

5.2.4 Flujo en medio poroso no estacionario saturado

La ley de conservación de masa para flujo no estacionario en medios porosos saturados

requiere que el flujo neto de masa de fluido dentro del VER sea igual al cambio en el

tiempo de la masa de fluido almacenada en el VER (Freeze & Cherry, 1979).

Ecuación 5-7 R(%�)R) = −R(% ∙ 8M)RJ − R(% ∙ 8N)RK − R(% ∙ 8O)R2

Donde % : Densidad del fluido ]_̂`a � : Porosidad del medio ]_`_`a 8�: Velocidad aparente en la dirección [ = J, K, 2 ]_#a ) : Tiempo E�F

Expandiendo el término del lado izquierdo de la Ecuación 5-7 se obtiene la variación de

masa de agua, producto de un cambio en la densidad del fluido (%) y el cambio de masa de

agua, producto de una compactación del medio poroso, reflejado en un cambio de

porosidad (�). El primer término está controlado por la compresibilidad del fluido (b) y el

segundo por la compresibilidad del medio (c).

Los cambios en la densidad del fluido y en la porosidad del medio están producidos por

una variación en la carga total, y el volumen de agua generado por los dos mecanismos,

por unidad de variación de la carga hidráulica es (Freeze & Cherry, 1979):

Ecuación 5-8

�� = % ∗ ?(c + � ∗ b) Donde:

��: Almacenamiento especifico

La variación de la masa de agua generada dentro de la Ecuación 5-7resulta:



44

Ecuación 5-9

%�d RAR) = −R(% ∙ 8M)RJ − R(% ∙ 8N)RK − R(% ∙ 8O)R2 Insertando la ecuación de la Ley de Darcy Ecuación 5-1 en la Ecuación 5-9 y aceptando que

la variación del flujo es de mayor importancia que la variación respecto a la densidad, se

obtiene:

Ecuación 5-10

�d RAR) = RRJ '&M RARJ, + RRK '&N RARK, + RR2 '&O RAR2 ,

La Ecuación 5-10 es la ecuación de flujo para flujo transitorio o no estacionario a través de

un medio poroso anisótropo saturado. Si el medio poroso es homogéneo e isótropo, la

Ecuación 5-10 se reduce a:

Ecuación 5-11 R-ARJ- + R-ARK- + R-AR2- = ��& R-AR)-

5.2.5 Flujo en medio poroso no estacionario no saturado

Aplicando un balance de masa a un VER la ecuación de continuidad debe representar la

velocidad de cambio de humedad, como la velocidad de cambio de almacenamiento

debido a cambios volumétricos del agua y medio poroso. En este caso, el término %� debe

ser igual a %�� , donde � es el grado de saturación. De esta manera la ecuación de

conservación de la masa es:

Ecuación 5-12 R(%��)R) = −R(% ∙ 8M)RJ − R(% ∙ 8N)RK − R(% ∙ 8O)R2

Expandiendo el término de la izquierda

Ecuación 5-13

'�� R%R) + %� R�R) + %� R�R), = −R(% ∙ 8M)RJ − R(% ∙ 8N)RK − R(% ∙ 8O)R2



45

Considerando los dos primeros términos de la izquierda despreciables dado que el flujo es

no estacionario y no saturado e insertando la Ley de Darcy modificada Ecuación 5-3 para

suelos no saturados y reconociendo que �� = �, en la Ecuación 5-13 se tiene:

Ecuación 5-14

R�R) = RRJ '&M(e) RARJ, + RRK '&N(e) RARK, + RR2 '&O(e) RAR2 ,

&�: Conductividad hidráulica

A : Carga hidráulica total A = 2 + V\X∗�

ℎ = V\X∗�: Presión de poros

La Ecuación 5-14 es conocida como la Ecuación de Richards, utilizada para describir el flujo

en un medio poroso no saturado. Agregando la capacidad de humedad especifica del

suelo �(e) = fgfh la cual es la variación de la humedad con respecto a la presión de poros,

expandiendo el termino de la izquierda de la Ecuación 5-14 y aplicando la regla de la

cadena en función de e se tiene

Ecuación 5-15

R�R) = R�Rℎ ∗ RℎR)

Ecuación 5-16

�(ℎ) RℎR) = RRJ '&M(ℎ) RARJ, + RRK '&N(ℎ) RARK, + RR2 '&O(ℎ) RAR2 ,

Como A = 2 + ℎ y el flujo es vertical (z) derivando y aplicando la regla de la cadena en

función de ℎ se tiene

Ecuación 5-17

�(ℎ) RℎR) = RRJ '&M(ℎ) R�RJ ∗ RℎR�, + RRK '&N(ℎ) R�RK ∗ RℎR�, + RR2 i&O(ℎ) 'R�R2 ∗ RℎR� + 1,j



46

Se observa de la Ecuación 5-17 que la humedad � solo depende deℎ por lo que las

derivadas parciales se transforman en derivadas totales, tal como se muestra en la

Ecuación 5-18

Ecuación 5-18

�(ℎ) kℎk) = kkJ '&M(ℎ) k�kJ ∗ kℎk�, + kkK '&N(ℎ) k�kK ∗ kℎk�, + kk2 i&O(ℎ) 'k�k2 ∗ kℎk� + 1,j

Dado que existe una relación funcional entre las variables � y ℎ siendo la relación del

tipo:ℎ = ℎ(θ)oθ = θ(ℎ), se puede escribir la conductividad hidráulica en función de la

humedad, en ausencia de la histéresis. Luego, la relación es la siguiente:

Ecuación 5-19

&�Gℎ(�)H = &�(�)[ = J, K, 2

Por consiguiente remplazando la Ecuación 5-19 en la Ecuación 5-18 se tiene

Ecuación 5-20

�(ℎ) kℎk) = kkJ '&M(�) k�kJ ∗ kℎk�, + kkK '&N(�) k�kK ∗ kℎk�, + kk2 i&O(�) 'k�k2 ∗ kℎk� + 1,j

Definiendo la difusividad del agua en el suelo como

Ecuación 5-21

n�(�) = &�(�) ∗ kℎk�

Rescribiendo la Ecuación 5-20 en términos

Ecuación 5-22

�(ℎ) kℎk) = kkJ 'nM(�) k�kJ, + kkK 'nN(�) k�kK, + kk2 inO(�) 'k�k2 + 1,j



47

Por lo tanto las Ecuación 5-14, Ecuación 5-16 y Ecuación 5-22 muestran las tres maneras

diferentes de escribir la ecuación para flujos transitorios en la zona no saturada conocida

como ecuación de Richards. Esta ecuación introducida por Richards (1931), es a menudo el

modelo más usado ya que proporciona una descripción del flujo del agua en el suelo

combinando la Ley de Darcy y el principio de continuidad (Ley de la conservación de Masa)

(Feddes, et al., 1978).

Sin embargo estas ecuaciones son no lineales por lo tanto para obtener una solución

aproximada es necesario solucionarlas por métodos de diferencias finitas o elementos

finitos.

5.3 FUNCIONES HIDRÁULICAS DEL SUELO

La ecuación de Richards requiere para su solución, especificar las funciones características

del suelo, conductividad hidráulica &(�)y la curva de retención de humedad ℎ(�),las

cuales pueden ser obtenidas de forma experimental o por medio de formas algebraicas

que facilitan la solución numérica de esta ecuación. El costo asociado a la realización de

mediciones directas de las propiedades de un suelo, ya sea en terreno o laboratorio, es

alto y generalmente toma mucho tiempo (Fredlund & Xing, 1994).

5.3.1 Curva de retención de humedad (CRH)

El contenido de humedad en suelos no saturados está relacionado con la succión ℎ, de

forma tal que pueden obtenerse curvas que muestran la variación de la succión en función

del contenido volumétrico de humedad del suelo llamadas comúnmente curvas de

retención de humedad (CRH) del medio poroso. Las CRH indican la cantidad de humedad

que un determinado suelo puede retener a diferentes presiones o tensiones. Los valores

de presión ℎ, muestran la facilidad o dificultad con la cual el agua puede ser removida del

suelo y la cantidad de agua que es retenida en cada tensión (González, et al., 2010).

Estas funciones que relaciona los valores de la humedad con valores de succión h son

llamadas funciones paramétricas. Existe multitud de funciones paramétricas para definir la



48

curva de retención de humedad en el suelo: Gardner (1958), Brooks y Corey (1964), Van

Genuchten (1980), Russo (1988), Kosugi (1996), entre muchas otras (Or & Wraith, 2002).

Indican que las principales características que deben tener son: 1). Contener los mínimos

parámetros para simplificar su estimación y 2). Describir el comportamiento de la curva de

retención en los límites (en la zona más húmeda y en la más seca), al mismo tiempo que

se adopte la forma fielmente no lineal que adoptan los datos.

A continuación se presentan algunas de las funciones más utilizadas.

5.3.1.1 Modelos para el cálculo de curvas de retención de humedad

� Modelo de Brooks y Corey

Ecuación 5-23

�o = p|cℎ|rsℎ < − 1c1ℎ ≥ − 1cv

Ecuación 5-24

�o = � − �w�� − �w

ces un parámetro empírico [+rx] cuyo inverso a menudo se define como la presión de

entrada de aire o la presión de burbujeo, y es el índice de distribución del tamaño de los

poros que afecta la pendiente de la función de retención, �w es el contenido de humedad

residual, el contenido de humedad remanente en el suelo y que no contribuye al flujo, �� denota el máximo contenido de humedad del suelo y ℎ , indica la succión.

La ecuación de la humedad de Brooks-Corey puede escribirse en forma adimensional en

función del grado efectivo de saturación o humedad volumétrica normalizada �o Ecuación

5-24.



49

Brooks-Corey es adecuado para suelos granulares. Los resultados son menos exactos para

suelos con textura fina y suelos no alterados debido a la ausencia de un punto definido

para el valor de entrada de aire para estos suelos (Reyna, 2008).

� Modelo de Fredlund, Xing y Huang

(Fredlund, et al., 1994) Desarrollaron una ecuación para describir la humedad en función

de la succión:

Ecuación 5-25

�(ℎ) = �(ℎ) ��]ln U| + Uh�Y;Ya� Donde }, ~, D son parámetros de ajuste y �(ℎ) es:

Ecuación 5-26

�(ℎ) = 1 − ln U1 + h��Yln U1 + x4�� Y

Donde �w = }es una constante que relaciona la matriz de succión con el contenido de

agua residual

� Modelo de Van Genuchten

Ecuación 5-27

�(ℎ) = ��w + �� − �w(1 + |cℎ|�)9 , ℎ < 0K� = 1 − 1��, ℎ ≥ 0 v Ecuación 5-28

�o = 1E1 + (cℎ)�F9 �� (ℎ), �w ≤ �(ℎ) ≤ ��w , 0 ≤ �w ≥ 0.15�� ,0.25 ≤ �� ≤ 0.60c,0.002 ≤ c ≤ 0.15�,1.25 ≤ � ≤ 3

v



50

Donde m y n son parámetros del modelo de la curva de retención de humedad, el

parámetro n se relaciona con la distribución de tamaños de poro del suelo y el parámetro

m con la simetría del modelo.

� Modelo de Vogel Cislerova

La cual es una modificación donde Van Genuchten Vogel y Cislerová (1988) modificaron

las ecuaciones de Van Genuchten (1980) adicionando flexibilidad en la descripción de las

propiedades hidráulicas cerca de la saturación.

La función de retención de agua del suelo, �(ℎ) está dada por la expresión:

Ecuación 5-29

�(ℎ) = �� + �9 − ��(1 + |cℎ|�)9 , ℎ < ℎ�� , ℎ ≥ ℎ� v Donde ℎ� es el valor de entrada de aire y m, n son los mismos definidos en la expresión

de Van Genuchten, �9 es un parámetro ficticio un poco mayor que ��. La CRH presentada en la Ecuación 5-29 permite incrementar la flexibilidad de la expresión

analítica de Van Genuchten cerca de la saturación. Este cambio de �� a �9 tiene un efecto

muy pequeño en la curva de retención, Cuando �9 = ��, las funciones hidráulicas del

suelo se reducen a las expresiones originales de Van Genuchten (1980).

5.3.2 Conductividad hidráulica

La conductividad hidráulica depende de las propiedades del fluido y del medio esta es

usada para definir la resistencia que ofrece el suelo al flujo del agua. La conductividad

tiene unidades E+�rxF, la cual es equivalente a la movilidad que se encuentra definida

como la relación entre la permeabilidad k y la viscosidad cinemática, que tiene unidades E+�. �rx. �F. La conductividad hidráulica saturadaU& = X�� Y puede ser dividida en dos

términos, la fluidez UX�� Y y la permeabilidad intrínseca (k) (Donado, 2004.). La



51

permeabilidad intrínseca es función de la estructura del poro y su geometría por lo que es

una propiedad solamente del medio, con unidades E+-F (Tindall, et al., 1999).

La conductividad hidráulica se presenta de dos tipos de formas dependiendo la zona del

suelo en la que se encuentra, zona saturada o zona no saturada.

5.3.2.1 Conductividad hidráulica en suelos saturados

El movimiento del agua en el suelo se controla por dos factores: la resistencia de la matriz

del suelo para fluir agua, y las fuerzas que actúan en cada elemento o unidad de agua del

suelo. La ley de Darcy, la ecuación fundamental que describe el movimiento de agua en el

suelo, relaciona la proporción de flujo con estos dos factores. El flujo saturado ocurre

cuando la presión del agua de poros es positiva; es decir, cuando el potencial matricial del

suelo es el cero. En la mayoría de suelos esta situación tiene lugar cuando

aproximadamente el 95% del espacio del poro total está lleno con agua. El restante 5%

está lleno con el aire atrapado.

5.3.2.2 Conductividad hidráulica en suelos no saturados

Es bien reconocido y confirmado experimentalmente el hecho de que la ley de Darcy es

válida para flujo de agua en medios parcialmente saturados siempre y cuando se tenga en

cuenta la dependencia de la conductividad hidráulica con el contenido de humedad.

Científicos como Childs y Collis – George (Juang & Holtz, 1986) encontraron

experimentalmente que el valor de & es función de la humedad volumétrica del suelo�.

La validez de esta teoría radica en la suposición que el arrastre de fluido en la interfase

aire – agua es despreciable. El comportamiento general de la función &(�)está bien

establecido, gracias a investigaciones de Richards, Moore, Childs y Collis-George (Juang &

Holtz, 1986) entre otros investigadores en el área de la hidráulica de suelos y extracción

de petróleo. Se ha encontrado que & decrece muy rápidamente a medida que el

contenido de humedad disminuye respecto al valor de saturación. Algunas de las razones

para este comportamiento son las siguientes (Donado, 2004.):



52

� La sección transversal disponible para el flujo decrece con �.

� Los poros de mayor tamaño son los primeros que se desocupan al disminuir la

humedad. El cambio de la conductividad hidráulica de un medio poroso es

directamente proporcional al cuadrado del radio de los poros, mientras que la

humedad es proporcional a la primera potencia de dicho radio, por lo que se

puede esperar que K decrezca mucho más rápidamente que �.

� A medida que � decrece, se incrementa la posibilidad de que parte del agua quede

atrapada en poros y cuñas aisladas de la red tridimensional general de agua. Una

vez la continuidad ha sido rota, no puede haber flujo en fase líquida.

5.3.2.3 Modelos para el cálculo de conductividad hidráulica en suelos no

saturados

� Modelo de Mualem

El modelo de (Mualem, 1976a) expresa a la conductividad hidráulica en función del grado

de saturación

Ecuación 5-30

&(�o) = &�o� ��(�o)�(1) �-

Donde

Ecuación 5-31

�(�o) = � 1ℎ(J) kJd�4

& es la conductividad hidráulica en estado de saturación y � es un parámetro de la

conectividad de poros estimado por (Mualem, 1976a)que en general vale 0,5.



53

� Modelo de Burdine

El modelo de (Burdine, 1953) describe la conductividad hidráulica en función del grado de

saturación como:

Ecuación 5-32

&(�o) = &�o� ?(�o)?(�)

Donde la función ?(�o) se define por la expresión:

Ecuación 5-33

?(�o) = � 1Eℎ(J)F- kJd�4

Donde el parámetro de conectividad de poros � tiene en cuenta la presencia de caminos

de flujo tortuosos. Burdine adopta el valor de 2 y (Gates & Lietz, 1950) utilizaron

previamente 0.

Con el modelo de Burdine se pueden obtener resultados análogos a los obtenidos con el

modelo de Mualem (Reyna, 2008).

� Modelo de Van Genuchten

El modelo de Van Genuchten tiene un adecuado ajuste a las curvas de datos

experimentales y comúnmente es utilizado como curva de comparación para los nuevos

modelos propuestos por los investigadores. Van Genuchten (1980) desarrolló una curva

característica de humedad del suelo y además, desarrolló un modelo para el cálculo de

conductividad hidráulica utilizando el modelo de Mualem (1976a).

Ecuación 5-34

&(ℎ) = & �(1 − (cℎ)�rxE1 + (cℎ)�Fr9)-E1 + (cℎ)�F9� �

Donde α, m y n parámetros de ajuste, m = 1-1/n.



54

� Modelo de Brooks y Corey

El modelo de (Brooks & Corey, 1964) y (Brooks & Corey, 1966) plantea la siguiente

expresión para la función de conductividad hidráulica en función de la succión:

Ecuación 5-35

&(ℎ) = �& 'ℎ�ℎ ,-�U�� Y , ℎ > ℎ�&, ℎ ≤ ℎ� v

Donde ℎ� es igual a la presión de poros o succión y y distribución de poros.

� Modelo de Fredlund, Xing y Huang

Como se mostró en los modelos de humedad, (Fredlund & Xing, 1994) describen la

humedad en función de la succión.

(Fredlund & Xing, 1994; Fredlund, et al., 1994) Combinaron la expresión para el cálculo de

la humedad con el modelo para la conductividad hidráulica de Childs y Collins-George

(1950) y obtuvieron la siguiente expresión para la conductividad hidráulica:

Ecuación 5-36

&(ℎ) = & � (g(o�)rg(h)o� ��(|N)kℎ)��h� g(o�)rg�o� ��(|N)kℎ��h Donde y es una variable de integración que representa ��ℎ, ¡ es igual a ��(10¢<�}), ℎ}

es el valor de entrada de aire y, θ´ es la derivada de la expresión de la humedad en función

de h.

� Modelo de Vogel y Cislerova

La conductividad hidráulica, &(ℎ) de Vogel y Cislerova (1988) (Simunek, et al., 1994) está

dada por la siguiente expresión:



55

Ecuación 5-37

&(ℎ) = �� &�&w(ℎ), ℎ ≤ ℎ�&� + (ℎ − ℎ�)(&� −&�)ℎ� − ℎ� , ℎ� < ℎ < ℎ�&�ℎ ≥ ℎ�

v Donde

Ecuación 5-38

&w = &�&� £ �o�o�¤¥� � ¦(�w) − ¦(�)¦(�w) − ¦(��)�

-

Donde

Ecuación 5-39

¦(�) = §−1 ' � − �w�9 − �w,©̈ª9 � = 1 − 1�

La conductividad hidráulica &� es la conductividad correspondiente al contenido de

humedad �� medido a un contenido de humedad menor o igual a la humedad de

saturación. Este cambio de �� a �9 puede tener un efecto considerable en la función de

conductividad hidráulica, especialmente para suelos donde � es relativamente pequeño (1 < � < 1.3). Las funciones de (Vogel & Cislerova, 1988) contienen seis parámetros

desconocidos:�� , ��, �9, c, �, &�. Cuando estas incógnitas son iguales a las de las

funciones hidráulicas del suelo se reducen a las expresiones originales de Van Genuchten

(1980).



56

6 HERBICIDAS

6.1 INTRODUCCIÓN

Los herbicidas son productos destinados para el control de malezas de determinado

cultivo no deseadas por su impacto negativo en la producción y rendimientos, estos se

encuentran dentro del grupo de productos fitosanitarios los cuales por definición de la

Organización Mundial de la Salud (OMS) son todas aquellas sustancias o mezcla de

sustancias, destinadas a prevenir la acción de controlar o destruir directamente malezas,

insectos, hongos, ácaros, moluscos, bacterias, roedores y otras formas de vida animal o

vegetal que puedan resultar perjudiciales tanto para la Salud Pública como para la

Agricultura.

El crecimiento y desarrollo de la Industria Alimentaria, ha tenido un efecto sobre la

alimentación cotidiana actual, diversificando los alimentos disponibles en la dieta. Este

aumento progresivo de la producción ha sido acompañado por vigilancia y leyes

alimentarias en los países, regulando y unificando procesos y productos (CASAFE, 2012).

Por lo general todos los herbicidas que pertenecen a un mismo grupo genérico actúan de

la misma manera, por ejemplo: al conocerse el efecto de la atrazina sobre una maleza (la

mayoría de las malezas latifoliadas anuales y algunas gramíneas, como cola de zorro y

pasto colorado) también se sabe cómo actúa la simazina, la ametrina y la prometrina, ya

que todos estos productos perteneces a la misma familia de las triazinas (Doll, 1982).

No existe una única clasificación de herbicidas, ya que los mismos pueden ser agrupados

según su naturaleza química, su mecanismo de acción, el momento de aplicación, etc.

Cabe aclarar también que un mismo herbicida, puede ser englobado en diversas

categorías de clasificación (CASAFE, 2012).



57

No obstante se pueden dividir en (CASAFE, 2012):

� Selectivos: aquellos que controlan un objetivo, preservando el cultivo de interés

económico.

� Totales: generalmente utilizados para limpieza de terrenos donde se controlan

todas las especies existentes, sin discriminación.

� Residuales: persisten en el suelo controlando la nacencia de malezas provenientes

de semillas de especies anuales, al impedir su germinación. Normalmente no son

activos sobre especies perennes que rebrotan a partir de rizomas, bulbos o

estolones

� Pre-emergentes: son herbicidas que se aplican antes de la nacencia del cultivo.

� Post-emergentes: son herbicidas que se aplican después de la nacencia del cultivo.

� Sistémicos: se aplican sobre la planta, pero actúan a distancia, al ser traslocado

hasta raíz mediante el floema.

� De contacto: se aplican sobre la planta actuando localmente en la superficie, sin

necesidad de ser traslocado.

6.2 TERMINOLOGÍA.

Los herbicidas se designan por medio de tres nombres:

Científico: Describe la estructura química del herbicida o de su ingrediente activo. Se

ajusta a las reglas de nomenclatura química establecidas. Ejemplo: N-(fosfonometil) glicina

Común: Es un término corto para denominar al herbicida o su ingrediente activo, de

acuerdo con la International Organization for Standardization. Suelen estar en inglés,

aunque a veces se pueden adaptar al idioma del país donde se aplican (Ej: atrazine-

atrazina).

Comercial: Es el usado por las compañías químicas o distribuidoras para darlos a conocer a

los compradores. Un mismo producto, con un nombre científico y otro común, puede

tener varios nombres comerciales si es fabricado por distintas empresas.



58

6.3 MECANISMOS DE ACCIÓN DE LOS HERBICIDAS

Una característica en común que pueden tener los herbicidas es que actúan sobre

procesos fisiológicos de los vegetales, siendo su toxicidad, en algunos casos, sobre otras

especies muy baja.

La forma más útil de clasificación de los herbicidas es según su modo de acción (Duke &

Dayan, 2001) y (Schmidt, 2005.). El modo de acción es la secuencia de eventos que

ocurren desde la absorción del herbicida hasta la muerte de la planta.

Los herbicidas con el mismo modo de acción tienen el mismo comportamiento de

absorción y transporte y producen síntomas similares en las plantas tratadas (Gunsolus &

Curran, 1996). Además la clasificación de los herbicidas según su modo de acción permite

predecir, en forma general, su espectro de control de maleza, época de aplicación,

selectividad a cultivos y persistencia en el suelo (Ashton & Crafts, 1981)

Existen cuatro tipos de herbicidas:

6.3.1 Inhibidores de la fotosíntesis

Los inhibidores de la fotosíntesis pueden clasificarse en herbicidas móviles o sistémicos y

herbicidas no-móviles o de contacto. Los inhibidores de la fotosíntesis móviles incluyen a

las familias químicas de las triazinas, triazinonas, triazolinonas, fenilureas y uracilos y los

de contacto a los nitrilos, benzotiadizoles y amidas (Markwell, et al., 2005).

Se subdivide en cuatro grupos siendo los tres primeros los que actúan sobre la fase

luminosa de la fotosíntesis. Además no sólo se usan en agricultura, sino también para

limpiar terrenos, vías de ferrocarril, zonas industriales, almacenes (CASAFE, 2012).

Los más usados son los tipo a).



59

a) Herbicidas que inhiben la transferencia de electrones inhibiendo la fotosíntesis.

A este grupo de herbicidas corresponden: ureas, uracilos y triazinas. Este tipo de

herbicidas son aplicados al suelo y absorbidos por las raíces, se transportan vía xilema a la

parte aérea, llegan a los cloroplastos de las hojas y allí inhiben la fase luminosa. Cualquier

planta puede ser afectada por este tipo de herbicidas.

b) Herbicidas que desacoplan la cadena de transporte de electrones.

El mecanismo de acción de los inhibidores de la fotosíntesis es la interrupción del flujo de

electrones en el fotosistema II, que provoca la destrucción de la clorofila y los

carotenoides, lo que causa la clorosis, y la formación de radicales libres que destruyen las

membranas celulares provocando la necrosis (Duke & Dayan, 2001).

En la práctica se deben añadir vía foliar y no edáfica, ya que al tener carga positiva se

absorben irreversiblemente sobre los coloides del suelo, mucho más que cualquier catión

metálico, quedándose allí indefinidamente

c) Herbicidas que impiden la formación del Adenosín trifosfato (ATP)

A este grupo pertenecen las acilanilidas, hidroxibenzonitrilos, dinitrofenoles, piridazinas,

N-fenilcarbamatos.

Se aplican de forma diferente. Los más importantes son los dinitrofenoles, moléculas con

anillo aromático hidroxilado y con dos grupos nitro. Estas moléculas no sólo desacoplan la

fosforilación oxidativa de la cadena de transporte fotosintético, sino que también lo hacen

a nivel mitocondrial. Por tanto, pueden presentar una toxicidad importante para animales.

De aquí que algunos se puedan usar como herbicidas y fungicidas.

d) Herbicidas que alteran la biosíntesis de carotenoides

Actúan en algún punto de la síntesis de licopeno. El más importante es el amino triazol.



60

6.3.2 Inhibidores de la síntesis de aminoácidos

Existen varias familias de herbicidas que afectan la síntesis de aminoácidos, los cuales son

esenciales para la formación de proteínas requeridas para el desarrollo y crecimiento de

las plantas. Los inhibidores de la síntesis de aminoácidos pueden dividirse en inhibidores

de aminoácidos ramificados e inhibidores de aminoácidos aromáticos (Nissen, et al.,

2005).

Se subdivide en tres grupos:

a) Herbicidas que alteran la biosíntesis de aminoácidos aromáticos.

La síntesis de aminoácidos aromáticos es imprescindible, ya que el Trp y el Phe

(Serotonina y Noradrenalina) son precursores de la lignina y de los compuestos

aromáticos de la planta. Además, estos aminoácidos luego forman parte de proteínas. El

herbicida capaz de inhibir la síntesis de aminoácidos aromáticos es el glifosato. El glifosato

en animales puede ser degradado; en el suelo puede ser inactivado, por lo que

medioambientalmente tiene muy buen comportamiento (CASAFE, 2012).

b) Herbicidas que alteran la biosíntesis de la glutamina.

c) Herbicidas que inhiben la síntesis de lípidos: a este grupo pertenecen los tiocarbamatos

que inhiben la conversión de ácidos grasos de cadena corta en AG de cadena larga. Como

consecuencia, frenan el crecimiento del vegetal. Estas moléculas se pueden usar en

tratamientos al suelo para semillas que estén germinando; los tiocarbamatos se degradan

fácilmente por enzimas y apenas se absorben en el suelo.

6.3.3 Reguladores del crecimiento vegetal

Alteran la elongación y la división celular. Cuando se incorporan a una planta dan lugar a

un crecimiento anormal del vegetal, y como consecuencia origina deformaciones, falta de

funcionalidad y la muerte de la planta. Los reguladores del crecimiento se absorben por



61

hojas y raíces y se transportan por el floema y xilema. Sin embargo, su uso principal es en

post-emergencia a cultivo y maleza (Sterling & Namuth, 2005).

a) Herbicidas que alteran la elongación celular.

En las células meristemáticas sucede la elongación celular, por acción de las auxinas. Éstas

a alta concentración tienen efectos herbicidas, originan elongación celular desmesurada

con malformaciones en los ápices y la muerte del vegetal. A este grupo de herbicidas

pertenecen los ácidos ariloxialcanoicos, de dos tipos, el ácido fenoxiacético y el ácido

fenoxibutíricos. No se usan demasiado ya que en su síntesis se liberan dioxinas. Los ácidos

benzoicos son derivados halogenados del ácido benzoico. Su actividad es similar a la de los

ácidos fenoxiacéticos y fenoxibutíricos.

b) Herbicidas que inhiben la síntesis de giberelinas

Las giberelinas son fitohormonas responsables del crecimiento de la planta, ya que dan

lugar a que los entrenudos tengan una determinada longitud. Si se inhibe la síntesis de

giberelinas, la distancia entrenudos se acorta dando lugar al achaparramiento de la planta

y pérdida de funcionalidad, además lo pecíolos se acortan, y aumenta el aparato radicular.

Todo esto provoca que la planta pierda funcionalidad y muera. El clormequat (es una sal

de amonio cuaternario) inhibe la síntesis de giberelinas.

c) Herbicidas capaces de inhibir la división celular

Hay muchos tipos, pero los más importantes son los N-fenil carbamatos y la

Hidrazidamaleíca. Los N-fenilcarbamatos, son moléculas cuya estructura básica deriva del

ácido carbámico. Son usados en el suelo y tienen poca movilidad, alteran la división celular

ya que impiden que se produzca la organización correcta de las proteínas que forman

parte de los microtúbulos del huso acromático; esto origina células con núcleos gigantes

sin funcionalidad. Estos herbicidas afectan a células meristemáticas, impidiéndoles el

engrosamiento, no hay diferenciación celular, la planta deja de crecer y muere.



62

6.3.4 Herbicidas con otros mecanismos de acción

a) Herbicidas que provocan la disrupción de la membrana celular:

Son los llamados “aceites minerales herbicidas”. Son mezclas complejas de CH de cadena

larga que provienen de la destilación fraccionada del petróleo + fracción seca de la hulla.

Se originan restos de cadena larga de aspecto aceitoso. Son sustancias con lípidos muy

solubles. Al aplicarlos sobre la planta originan que se disuelva la cutina ya que provocan su

deshidratación y al penetrar en las células disuelven los lípidos de las membranas

celulares, como consecuencia la planta muere. Se usan como herbicidas totales; también

se usan como herbicidas selectivos en algunos cultivos cuando los s cultivos resisten a

estos aceites y sólo se van a eliminar las malas hierbas. Fueron las primeras sustancias

usadas como herbicidas.

b) Herbicidas que actúan sobre pigmentos

c) Herbicidas con actividad hormonal

6.4 APLICACIÓN DE HERBICIDAS

La pulverización debería ser realizada bajo el concepto de aplicación de plaguicidas,

definido como “el empleo de todos los conocimientos científicos necesarios para que un

determinado fitoterápico llegue al blanco en cantidad suficiente para cumplir su cometido

sin provocar contaminación ni derivas (Massaro, 2008).

Esta exigencia implica trabajar con un enfoque sistémico, que contemple el análisis y la

interacción de múltiples variables. Una interpretación integrada del proceso de aplicación

de plaguicidas permite la adecuada preparación de los pulverizadores para realizar una

tarea exitosa (Massaro, 2009).

Entre los componentes básicos de este sistema figuran:

a) El follaje sobre el que se va a pulverizar.

b) El objetivo o blanco del trabajo de pulverización.



63

c) El modo de acción del plaguicida.

d) El ambiente meteorológico.

e) Calibración del equipo pulverizador.

f) La eficacia alcanzada con el tratamiento.

6.4.1 Características de la aspersión.

Dos de los factores más importantes que determinan la efectividad de la aspersión son el

rango o espectro de tamaño de las gotas y la cobertura del objetivo por el asperjado.

Las gotas pequeñas producen muy buena cobertura y se adhieren bien a superficies que

son difíciles de mojar, como las hojas cerosas de gramíneas, pero están expuestas a la

deriva (arrastre) y se evaporan rápidamente, especialmente a baja humedad relativa. Las

gotas mayores tienden a rebotar y desprenderse de superficies "difíciles de mojar", pero,

en este caso la deriva y la evaporación son un problema menor. Las gotas menores de 100

mm de diámetro caen con relativa lentitud y, por lo tanto, son arrastradas por el viento y

pueden causar daños severos a los cultivos susceptibles adyacentes y a la vegetación no

objeto de la aplicación. No existe un tamaño de gota ideal para controlar las malezas en el

campo, ya que diferentes especies varían en las características de tamaño, hábitos, ángulo

de la hoja, superficie foliar y en su posición en la copa. Para lograr una buena cobertura de

estos objetivos diversos es mejor un amplio rango o espectro de tamaños de gótulas y la

correcta selección de las boquillas de aspersión generalmente cumple este requisito

(Markwell, et al., 2005).

Cuando se ha terminado de aplicar un herbicida, la solución remanente en el tanque se

deberá pulverizar en algún terreno baldío, donde no suponga peligro de contaminación, y

el equipo se deberá lavar a conciencia. En caso contrario, podrían quedar restos en los

filtros o boquillas que pudieran causar problemas en próximas aplicaciones.



64

6.5 ATRAZINA

Este es uno de los herbicidas más utilizados a nivel mundial para el control de malezas.

Fue descubierto por Ciba Geigy Limited (Basilea, Suiza), y registrado comercialmente en

1958. En la década del 60 fue registrado en Argentina, aplicándose en forma extensiva en

el cultivo de maíz, caña de azúcar y sorgo granífero para el control principalmente de las

latifoliadas y de algunas gramíneas (Pórfido, 2005.).

Su molécula base (Ilustración 6-1) está compuesta de un ciclo aromático de seis miembros

con tres átomos de nitrógeno E6 − (�«¬« − - − |)[� − ® − [7«~¬«~[� − 1,3,5 −)¬[}2[�} − 2,4k[}�[�}F. Este herbicida es débilmente básico y puede ser fácilmente

protonado sobre el nitrógeno de su anillo heterocíclico a niveles de pH por debajo de su

pKa de 1.68, característica que aumenta su posibilidad de adsorción a los coloides

reduciendo su persistencia en el suelo cuando disminuye el pH (Moorman & Keller, 1996.).

Ilustración 6-1 Forma de la molécula de la atrazina

Desde luego, durante la aplicación la atrazina por efecto de la dispersión puede alcanzar

plantas cercanas no objetivo, el suelo, y las aguas superficiales. Esta es aplicada

directamente sobre las malezas durante la aplicación foliar o directamente al suelo

durante las aplicaciones más frecuentes en pre-emergencia. La atrazina puede ser

transportada indirectamente al suelo debido a la interceptación incompleta durante la

aplicación foliar o por el lavado posterior a la aplicación foliar vía el riego o las lluvias.



65

6.5.1 Principales propiedades de la atrazina

Peso molecular

(°±²³r´)

Densidada (°±µr´) Presión de vapor

b (±±¶°) Solubilidad en agua

c (±°µr´) pKa

d

Vida media ·´̧(¹í»¼) Koc e (±µ°r´)

215.7 0.363 2.9 x10-7

33 1.68 60 100

a) 20 ºC b) 25 ºC c) 22 ºC d) 21 ºC coeficiente de partición de

carbono orgánico

Tabla 6-1 Propiedades químicas y físicas de Atrazina los súper índices indican la temperatura a la cual fue calculado (Díaz, 2007)

Aún con dosis recomendadas la persistencia de la Atrazina en el suelo puede ser elevada.

Smith y Walker (Smith & Walker, 1989) reportaron que para un suelo de textura arcillosa

con 4.2% de materia orgánica e igual humedad y 5ºC la persistencia varió de 206 días

hasta 44 días a 30°C. (Delmonte, et al., 1997) Determinaron para Argentina, que la

persistencia en un suelo con 5.7% y 3.8% de materia orgánica fue de 143 y 221 días

respectivamente para una dosis de 2.0 ��h�.

6.5.2 Los estudios de transporte de atrazina en el suelo

La serie de trabajos que se han hecho sobre el transporte de atrazina en diversos tipos de

suelos, y bajo distintos tipos de experimentos, las columnas intactas de suelo, el uso de

lisímetros y el monitoreo del perfil del suelo en el campo, han contribuido a demostrar la

presencia de flujos preferenciales (Delphin & Chapot, 2006).

Los experimentos de campo han demostrado la variabilidad espacial y temporal de las

concentraciones de atrazina y estas mismas son correlacionadas al pH, a la capacidad de

intercambió catiónico y al contenido de materia orgánica del suelo (Ghidey, et al., 1997) y

(Reyna, et al., 2011).

Igualmente se han realizado estudios para evaluar y mejorar los modelos de transporte de

solutos basados en la ecuación de convección-dispersión, en columnas de suelo

empacadas e intactas los cuales han remarcado la importancia de utilizar trazadores como

los aniones Cl¯ y Br¯, o marcadores como deuterio (2H2O), tritio (3H2O) u oxígeno 18



66

(H218O) para describir el movimiento del agua. Estos trazadores utilizados han sido la

única manera para diferenciar los efectos de los procesos físicos de los procesos químicos

de no equilibrio en el transporte de atrazina (Montoya, et al., 2006).

Los estudios han encontrado que la sorción de atrazina es dependiente del tiempo y que

el modelo de sorción de Freundlich se ajusta adecuadamente a las isotermas de sorción

experimentales (Mersie, et al., 1999). En modelos de transporte, (Baskaran, et al., 1996)

encontraron que la curva simulada se ajusta bien a los datos utilizando valores de sorción

de Freundlich o asumir sorción lineal tanto en un suelo alofánico como en un suelo no

alofánico. En tanto que (Chen & Wagenet, 1997) encontraron que utilizar los valores de

sorción de Freundlich refleja mejor la sorción que ocurre durante el transporte en un

suelo franco limoso.

Existen distintos estudios de transporte de atrazina en el suelo para distintas regiones del

mundo, los cuales se han realizado en diferentes tipos de suelos y bajo distintas

condiciones experimentales. Pese a ello, los estudios sobre transporte de atrazina en el

suelo son escasos en suelos tipo Andosol y en suelos de América Latina, de modo que los

estudios en estos suelos, y en esta región, siguen siendo relevantes para la generación de

estrategias adecuadas de uso de los plaguicidas, como de manejo de los recursos suelo y

agua, con el propósito de minimizar los riesgos de contaminación (Raymundo R, 2008).



67

7 TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EN EL SUELO

7.1 INTRODUCCIÓN

Los herbicidas son sustancias, por lo general de origen orgánico, que se emplean

principalmente para el control de las malezas en la agricultura con el fin de minimizar el

impacto ambiental de los mismos, su aplicación debe realizarse teniendo en cuenta las

condiciones de las plantas, el suelo y el ambiente y los procedimientos de uso para los

cuales fueron diseñados y así obtener una optima dosificación. No obstante por muy

rigurosas que sean las condiciones de uso, existen evidencias de la presencia de trazas de

herbicidas y otros plaguicidas aún en áreas no agrícolas, en la atmósfera y en el agua

superficial y subterránea (Cheng, 1990).

La presencia de plaguicidas, y especialmente herbicidas, en aguas subterráneas y acuíferos

representa una situación frecuente, especialmente en aquellas regiones que han tenido o

tienen un elevado consumo de plaguicidas (Pasquarell & Boyer, 1996). Esto descartaría la

posibilidad del uso del agua sin un tratamiento de purificación, dado que se han detectado

niveles de concentración de los plaguicidas que van desde solo trazas hasta altos niveles

de concentración.

En Argentina el uso intensivo de siembra directa (SD) o labranza directa puede generar el

incremento en el uso de controles químicos (plaguicidas, herbicidas e insecticidas),

aumentado así el potencial de contaminación de las aguas superficiales y subterráneas así

como de sedimentos. Tal circunstancia es preocupante si se tiene en cuenta que según

datos de 2002 (AAPRESID) el 46 % del área agrícola de Argentina se encuentra bajo SD,

siendo las perspectivas a futuro de crecimiento sostenido. En dicho contexto, se debe

destacar que el estudio del impacto de la SD a nivel productivo ha sido y sigue siendo

estudiado, no así los posibles efectos ambientales adversos que podría ocasionar

(Bedmar, et al., 2004).



68

7.2 DINÁMICA DE LOS PLAGUICIDAS

La movilidad de los plaguicidas depende de sus propiedades físicas y químicas en el medio,

tales como volatilidad, solubilidad, persistencia y la adsorción en el suelo. La

concentración de herbicida en el suelo a lo largo del tiempo - persistencia o residualidad

depende de las características propias de la molécula (acidez o alcalinidad de la molécula,

solubilidad en agua, presión de vapor) y su interacción con las características del suelo

(composición de la fracción arcilla, pH, capacidad de intercambio catiónico, área

superficial, contenido de materia orgánica) y de los factores ambientales (temperatura,

humedad), conformando una serie de procesos de disipación: volatilización,

descomposición fotoquímica o química, escurrimiento superficial, degradación química,

descomposición microbiana, lixiviación y adsorción, todos ellos nombrados en la

Ilustración 7-1 (Díaz, 2007).

Si bien existen propiedades especificas que determinan la movilidad de un herbicida en el

suelo (Goss, 1992) y (Hornsby, 1992) demostraron que el coeficiente de partición en

carbono orgánico (Koc) y la vida media de los plaguicidas (T1/2) pueden utilizarse para

comparar sus potenciales de lixiviar a través de la matriz del suelo. Estableciendo que la

materia orgánica del suelo es la característica edáfica que más influye sobre el

movimiento de los herbicidas. La presencia de capas con materia orgánica produce

“atenuación” del flujo del herbicida protegiendo al acuífero de la contaminación.

Por lo tanto para la determinación de la capacidad de infiltración de un herbicida es

necesario tener en cuenta: 1) profundidad del acuífero saturado combinado con la

dirección predominante del flujo de agua, 2) permeabilidad de los estratos geológicos y de

suelo, 3) contenido de materia orgánica del suelo, y 4) Koc y T1/2 del plaguicida (Bedmar, et

al., 2004).



69

Ilustración 7-1 Movimiento y destino de los plaguicidas en el medio ambiente (Díaz, 2007)

7.2.1 Flujos preferenciales

Los plaguicidas, y solutos en general, se mueven disueltos o arrastrados con el agua del

suelo, por lo que el conocimiento y medición de propiedades como la conductividad

hidráulica y la porosidad efectiva dentro del suelo son importantes ya que estas se

encuentran en función de la geometría, interconexión y distribución del tamaño de poros

dentro del suelo. La presencia de macroporos interconectados, tienen relación directa con

la agregación natural del suelo y pueden constituir rutas preferenciales de flujo dentro del

suelo (Crescimanno, et al., 2007), el cual se considera hoy en día el mecanismo principal

para la aparición relativamente rápida de contaminantes en las aguas subterráneas.

El término flujo preferencial hace referencia a que el agua que se infiltra no tiene

suficiente tiempo para entrar en equilibrio con el agua que permanece en la matriz del

suelo moviéndose más lentamente. Estos flujos preferenciales pueden presentarse, por

ejemplo, en suelos estructurados, donde los macro-poros (grietas, túneles provocados por

macro-organismos como lombrices e insectos, los agujeros de las raíces) dominan la

hidrología del suelo, particularmente en suelos de textura fina, y operan como rutas de

alta conductividad de flujo atravesando la matriz más densa y menos permeable del suelo

(Díaz, 2007). Estos flujos preferenciales pueden darse también en suelos arenosos no



70

estructurados en forma de frentes inestables de humedecimiento, lo cual es causado por

perfiles heterogéneos tales como las interfaces en los horizontes o por repelencia de agua

(Jarvis, 1998). Una consecuencia de los flujos preferenciales es un frente heterogéneo de

penetración de los solutos en el suelo, en comparación de lo que predice la ecuación de

convección-dispersión (simple), lo cual modela un frente homogéneo de infiltración.

7.3 PROCESOS A LOS QUE ESTÁ SUJETO EL SOLUTO DURANTE SU TRANSPORTE EN EL

SUELO

El proceso de transporte de un soluto en el suelo dónde se presentarán la volatilización el

cual lleva el soluto hacia la atmósfera; el escurrimiento hacia las superficies de agua y la

lixiviación hacia las aguas subterráneas (Cheng, 1990), son afectados por los procesos de

difusión, convección y dispersión. Además existen otros procesos que sumados a los

anteriores, afectan algunos solutos en su interacción con el medio geológico tales como la

retención (adsorción o sorción) y transformación.

Los procesos de transformación química pueden ser catalizados por los constituyentes del

suelo o inducidos fotoquímicamente. La mayoría de los plaguicidas son transformados

principalmente por procesos bioquímicos a través de los microorganismos del suelo con

cambios en la molécula hacia formas más simples que pueden ser de igual, menor o

mayor toxicidad que la original, lo cual determina bajo qué forma y durante cuánto

tiempo estarán presentes los solutos en el suelo (Bedmar, et al., 2004).

7.3.1 La advección

También llamada convección, es un mecanismo de transporte asociado al flujo del agua.

Es el transporte de especies disueltas en el flujo de un solvente, en este caso el agua. La

advección es el proceso de transporte predominante en medios porosos, particularmente

con especies disueltas no reactivas. El flujo másico advectivo viene dado por:

Ecuación 7-1

¦½ = D ∗ �



71

Donde:

¦½: Es el flujo masico advectivo E��rx+r-F D: Es la velocidad o flujo de Darcy E+�rxF �: Es la concentración E�+r�F 7.3.2 La difusión molecular

Es un proceso relacionado con la difusión de las especies químicas en un volumen de

fluido. Es el transporte de dichos compuestos disueltos en el agua debido al

desplazamiento aleatorio de las moléculas en el fluido. La difusión molecular es un

proceso irreversible, persistente mientras exista un gradiente de concentración (el flujo

másico se produce de un punto de mayor concentración hacia los puntos de menor

concentración). El proceso finaliza solamente cuando la concentración del soluto en todo

el fluido es la misma. La situación de equilibrio final es ideal no real. Según la Ley de Fick,

el flujo másico difusivo¦¾^ se representa así:

Ecuación 7-2

¦¾^ = −n^�� ∗ � ∗ ∇�

Donde:

¦¾^��:Es el flujo másico difusivo E��rx+r-F n^��: Es el coeficiente de difusión molecular efectiva E+-�rxF ∇�: Es el gradiente de concentración E�+r®F �: Es el contenido de humedad E+�+r�F n^ Coeficiente de difusión puede oscilar entre (10rxx < n^�� <10rÀ)9�� depende

tanto del tipo de soluto como de las características del disolvente. Este es menor que el



72

coeficiente de difusión en agua libre n!, dado por la tortuosidad presentada en el medio

definido como:

Ecuación 7-3

n! = n½Á

La tortuosidad se define como la raíz cuadrada de la relación existente entre la trayectoria

real entre dos puntos y la trayectoria rectilínea. Depende de la estructura del medio y del

contenido de humedad. Su valor puede oscilar entre 0.01 y la unidad.

7.3.3 La dispersión hidrodinámica

Es un proceso no uniforme, irreversible, en el cual la masa del trazador se mezcla con la

solución, a cualquier escala, y por lo tanto ocurre únicamente cuando el agua está en

movimiento. Es un proceso de mezcla producido por la dispersión mecánica y la difusión

molecular. Estos dos mecanismos son artificialmente separados, pero en la realidad son

totalmente inseparables ya que ocurren conjuntamente, (Tindall & Kunkel, 1999).

La dispersión mecánica es un proceso de mezcla causado por las desviaciones o

fluctuaciones de la velocidad respecto a su valor medio, debido a las obstrucciones en el

campo de flujo. La dispersión mecánica es mayor a altos contenidos de humedad y

velocidades de flujo, porque así las partículas del contaminante se mezclan más

libremente con el agua contenida dentro de los poros.

De manera experimental se ha comprobado que el flujo másico de dispersión

hidrodinámica ¦Âes:

Ecuación 7-4

¦Â = −n9 ∗ � ∗ ∇�

Donde nÂ es el coeficiente de dispersión hidrodinámica se puede expresar como la suma

del los coeficiente de dispersión mecánica y difusión a nivel macroscópico.



73

Ecuación 7-5

nÂ = n^�� + n9o: El coeficiente de dispersión mecánica es un tensor simétrico de segundo orden en escalas

macroscópicas. En medios isótropos, sus direcciones principales coinciden con la dirección

del flujo y sus direcciones transversales. A lo largo de estas direcciones las componentes

principales son:

Ecuación 7-6

n9Ã = c_ ∗ D

Ecuación 7-7

n9Ä = c# ∗ D

Donde c_Kc#E+F son la dispersividad longitudinal en la dirección paralela al flujo y la

dispersividad transversal en las direcciones perpendiculares al flujo respectivamente. La

dispersión n9o: no es un parámetro real este depende de la escala de estudio donde

c_c# = 5}10|��}�}K«¬[}k|�«7(}7«7|7)Åk[}k«7 El coeficiente de dispersión n9o: se puede encontrar en diferentes órdenes de magnitud

según la escala:

n9o: ≈ E(�F Ensayos de laboratorio

n9o: ≈ E�F Ensayos de campo

n9o: ≈ En�F Ensayos Regionales

7.3.4 La sorción

Es un término utilizado para englobar la serie de interacciones que ocurren entre las

sustancias químicas presentes en el sistema suelo, este concepto puede dividirse en

interacciones de tipo reversible (adsorción-desorción) y las interacciones no reversibles



74

(absorción biológica, precipitación superficial, polimerización o transformaciones

químicas) (Weber & Miller, 1989).

Por lo tanto el proceso de adsorción-desorción sobre la matriz del suelo es lo que

determina la cantidad de nutrientes disponibles para las plantas, y la de plaguicidas y de

otras sustancias orgánicas que se retienen en las superficies de las partículas del suelo.

Por consiguiente, es uno de los procesos principales que afectan el transporte de

nutrientes y contaminantes en el suelo (Müller & Duwig, 2007).

La adsorción en el suelo puede definirse como la transferencia de una molécula de la fase

líquida hacia la fase sólida que luego es disuelta nuevamente en agua desorción. Este

fenómeno obedece a las leyes de equilibrio entre la concentración en fase líquida y la

concentración en fase sólida, sobre la superficie de las partículas de suelo. El medio puede

intervenir modificando las propiedades físico–químicas del adsorbente (solubilidad, carga

superficial, carácter hidrófobo/hidrófilo, etc.), modificando la accesibilidad a los sitios de

adsorción por recubrimiento de la superficie externa del adsorbente o introduciendo

compuestos susceptibles que entran en competencia con la molécula o sustancia.

7.4 ECUACIÓN GENERAL DE TRANSPORTE

Es necesario cuantificar el balance de flujos másicos dentro del medio poroso en función

de los diferentes procesos que afectan al transporte de solutos. El flujo de soluto ¦d en el

suelo se expresa como:

Ecuación 7-8

¦d = ¦¾^�� + ¦½ + ¦Â

Expandiendo la Ecuación 7-8

Ecuación 7-9

¦d =−n^�� ∗ � ∗ ∇� − n9 ∗ � ∗ ∇� + D ∗ � = D ∗ � − nÂ ∗ � ∗ ∇�



75

Para completar la ecuación general del transporte (Ecuación 7-9) convectivo-dispersivo, es

necesario garantizar la continuidad o conservación de la masa del flujo. Se establece que

el cambio de la concentración del soluto en solución en el tiempo, es igual al cambio del

flujo del soluto en la distancia.

El cambio de flujo es negativo en función del punto de referencia, en el caso

unidimensional el flujo del soluto se está moviendo por el perfil del suelo en la dirección z

(la profundidad) orientado verticalmente también hacia abajo.

Ecuación 7-10

R�R� = −R¦dR2

Simplificando el nabla de la Ecuación 7-9 para un transporte de solutos unidimensional y

remplazándola en la Ecuación 7-10 se obtiene

Ecuación 7-11

R�R� = − RR2 'D ∗ � − �nÂ R�R2,

En la zona no saturada, solo una parte de la superficie total del solido está cubierta por

agua. Sin embargo, algunos autores aceptan como válida la isoterma para medio saturado

igualmente válida para medios no saturados, al afirmar que al actuar la difusión molecular

sobre la fina película de agua que rodea los granos, toda la superficie de los sólidos está

expuesta a la adsorción (Candela & Varela, 1993).

Finalmente, la ecuación unidimensional de transporte de solutos en un medio no

saturado, la cual es similar a la de medio saturado, se escribe de la siguiente manera:

Ecuación 7-12

R�R� = −8 R�R2 + nÂ R-�R2- − %� R��R�



76

Donde el primer, segundo y tercer término se refieren a la advección, dispersión y

adsorción respectivamente; 8 es la velocidad lineal E+�rxF , nÂ es el coeficiente de

dispersión E+-�rxF, � es la concentración del contaminante E�+r®F, z es la distancia a los

largo de la dirección del flujo E+F, �� es la concentración del contaminante adsorbido E�«��rxF, % es la densidad volumétrica E�+r�F y � es la porosidad.

El tercer término de esta ecuación representa el cambio de la concentración en solución

causada por la adsorción o desorción, el cual puede ser expresado de la siguiente manera

aplicando la regla de la cadena:

Ecuación 7-13

%� R��R� = %� R��R� R�R�

Ecuación 7-14

R�R� = −8 R�R2 + nÂ R-�R2- − %� R��R� R�R�

Ecuación 7-15

R�R� '1 + %� R��R�, = −8 R�R2 + nÂ R-�R2- ⇒ R�R� '1 + %� KÉ, = −8 R�R2 + nÂ R-�R2-

Ecuación 7-16

R�R� = 1 R�R2 '−8 + nÂ R�R2,

Donde KÉ se expresa como el coeficiente de adsorción lineal E+��rxF. y R se define como

el coeficiente de retardo.



77

8 MODELOS COMPUTACIONALES PARA RESOLVER EL FLUJO Y TRANSPORTE

DE CONTAMINANTES

8.1 INTRODUCCIÓN

Existen diversos modelos que permiten predecir el movimiento del agua y los químicos en

y a través de la zona no-saturada del suelo. Estos modelos numéricos necesitan de la

estimación de numerosos parámetros. Esto es particularmente cierto cuando se analizan

las propiedades hidráulicas de los suelos no-saturados, propiedades que dependen de la

velocidad a la cual el agua y los químicos disueltos se mueven dentro del suelo. En los

últimos años se han desarrollado numerosos métodos de laboratorio y de campo para

determinar las funciones hidráulicas de los suelos (Klute, 1986), aunque la mayoría de

ellos son costosos y difíciles de implementar (Van Genuchten, et al., 1991). Las mediciones

in situ de la conductividad hidráulica del suelo son difíciles y muy lentas.

Entre los programas más conocidos que permiten modelar flujo en medios porosos a

través de la resolución de la ecuación de Richards se encuentran HYDRUS, UNSATCHEM,

CHAIN, MODFLOW, VS2DI entre otros presentados en el ANEXO D.

Se seleccionó para la modelación matemática de las ecuaciones el programa HYDRUS por

ser de gran uso a nivel de investigación y ademas de contar con varias actualizaciones que

incorparán nuevos módulos como el de modelación inversa, la modelación de

contaminantes y modelación con histérisis entro otros.

8.2 HYDRUS 1D

El programa HYDRUS, es un programa para simular flujo unidimensional, transporte de un

sólo soluto y movimiento de calor, en un medio variablemente saturado. En la versión

HYDRU-2D el software permite resolver el transporte en un espacio bidimensional (2D-el

nivel estándar, que se corresponde con el ex HYDRUS-2D con MeshGen-2D) también se

encuentra la versión para la resolución en 3D para geometrías tridimensionales

hexaédricos - 3D-Lite) o geometrías más complejas (es decir, 2D-estándar para uso general



78

en dos dimensiones, geometrías 3D estándar para los problemas que se pueden definir

utilizando el general bidimensional de base y una tercera dimensión en capas, o 3D-

Profesional para aplicaciones generales geometrías tridimensionales). Estas versiones

modelan el flujo del agua usando la ecuación de Richards, y los solutos y el movimiento de

calor usando ecuaciones de transporte convección y dispersión.

El programa permite histéresis tanto en la retención suelo-agua como en las funciones de

conductividad hidraúlica. Permite escalar la funciones hidraúlicas de suelo no saturado

para tener en cuenta los cambios continuos en las propiedades hidráulicas. Además,

considera condiciones alternativas de drenaje de bordes. Los antecedentes de este

programa son el código de WORM (Van Genuchten, 1987), versiones anteriores de

HYDRUS, SWM_II (Vogel, 1987) y SWMS_2D (Simunek, et al., 1994).

8.2.1 Discretización de Espacio y Tiempo de la Ecuación De Flujo

El modelo HYDRUS utiliza un esquema de masa agrupada lineal de elementos finitos para

la discretización de la forma mixta de la ecuación de Richards. El esquema final de la

diferencia finita, por el método de Crank-Nicolson, es el que se presenta en la Ecuación

8-1:

Ecuación 8-1

(θÊË�x,Ì�x − θÊË)∆t = 1∆zTKÊ�¥�Ë�x,Ì ∗ UhÊ�xË�x,Ì�x − hÊË�x,Ì�xY∆zÊ − KÊr¥�Ë�x,Ì ∗ UhÊ

Ë�x,Ì�x − hÊrxË�x,Ì�xY∆zÊrx Z + KÊ�¥�Ë�x,Ì − KÊr¥�Ë�x,Ì∆z cosα − SÊË Donde

Ecuación 8-2

∆) = )Õ�x − )Õ Ecuación 8-3

∆2 = (2��x − 2�rx)2



79

Ecuación 8-4

∆2� = 2��x − 2� Ecuación 8-5

∆2�rx = 2� − 2�rx

Ecuación 8-6

&��¥�Õ�x,� = (&��xÕ�x,� +&�Õ�x,�)2

Ecuación 8-7

&�r¥�Õ�x,� = (&�Õ�x,� +&�rxÕ�x,�)2

Donde los subíndices [ + 1|[ − 1 indican la posición en la malla de la diferencia finita,

los subíndices <K< + 1 denotan el paso actual y anterior de los niveles de iteración,

respectivamente; y los subíndicesÖKÖ + 1 representan el paso actual y anterior en los

niveles de tiempo. La Ecuación 8-1 está basada en una discretizacion implícita completa de

la derivada del tiempo.

Utilizando el método de conservación de masa propuesto por (Celia, et al., 1990)en el cual �Õ�x,��xes expandido en una serie de Taylor truncada con respecto a ℎ sobre el punto de

expansión ℎÕ�x,� y un esquema de diferencia de tiempo de la Ecuación 8-1 se obtiene:

Ecuación 8-8

(��Õ�x,��x − ��Õ)∆) = ��Õ�x,� Gℎ�Õ�x,��x − ℎ�Õ�x,�H∆) + (��Õ�x,��x − ��Õ)∆)

Donde �� representa el valor nodal de la capacidad de agua en el sueloE+rxF : Ecuación 8-9

��Õ�x,� = vk�kℎ×Õ�x,�



80

Este método ha demostrado excelentes resultados en términos de minimizar el error en el

balance de masa.

La derivación conduce a una ecuación matricial de la siguiente forma:

Ecuación 8-10

E� FÕ�x,�ØℎÙÕ�x,��x = Ø¦ Ù Donde E� F es una matriz triadiagonal simetrica y tiene la forma:

E� F =ÚÛÛÛÛÛÛÛÜkx |x 0 ⋯ 0|x k- |- 0 00 |- k� |� 0 0∙ ∙ ∙∙ ∙ ∙0 0 |Þr� kÞr- |Þr- 00 0 |Þr- kÞrx |Þrx0 0 |Þrx kÞ ßà

ààààààá

Donde las entradas de la diagonal k�K|� de la matriz � y las entradas del vector ¦

están dadas por:

Ecuación 8-11

k� = ∆2∆) ��Õ�x,� + (&��xÕ�x,� + &�Õ�x,�)2∆2� + (&�Õ�x,� + &�rxÕ�x,�)2∆2�rx

Ecuación 8-12

|� = −(&�Õ�x,� + &��xÕ�x,�)2∆2� Ecuación 8-13

�� = ∆2∆) ��Õ�x,� ∗ ℎ�Õ�x,� − ∆2∆) G��Õ�x,� − ��ÕH + (&��xÕ�x,� + &�rxÕ�x,�)2 («7c − ��Õ∆2



81

8.2.2 Tratamiento de las condiciones de contorno de la presión

Si una condición de contorno de primer tipo (condición Dirichlet) es especificada en la

parte superior o inferior del suelo, entonces los términos kx«kÞ son iguales a uno, |xK|Þrx se reducen a cero y �x«�Þson iguales a la altura de presión prescrita en ℎ4. Es

necesario realizar alguna acomodación en la matriz � para conservar la simetría.

8.2.3 Tratamiento para las condiciones de contorno de tipo Newman

Si una condición de contorno de tercer tipo (Newman) en el perfil inferior es especificada,

entonces las entradas individuales son obtenidas por la Ley de Darcy.

Ecuación 8-14

D = −& RℎR2 − &

Tal que kxK�x en � alcancen los siguientes valores

Ecuación 8-15

kx = (&xÕ�x,� + &-Õ�x,�)2∆2x K�x = (&xÕ�x,� + &-Õ�x,�)2 + D4Õ�x Donde D4 es prescrito en la condición de flujo inferior E+�rxF y donde |x es descrito

anteriormente. Una discretizacion similar de la ley de Darcy es posible a incorporar la

condición de contorno de flujo en la parte superior del perfil del suelo. Esta aproximación

sin embargo puede conducir rápidamente a soluciones inestables cuando el flujo en el

contorno superior del suelo varía rápidamente con el tiempo. Una solución más estable se

obtiene cuando se discretiza la ecuación de balance de masa en lugar de la ley de Darcy.

Ecuación 8-16

R�R) = −RDR2 − �

La discretización obtenida es:



82

Ecuación 8-17

(�ÞÕ�x,��x − �ÞÕ )∆) = (DÞÕ�x − DÞr¥�Õ�x,�)∆2Þrx − �ÞÕ

Expandiendo la derivada de tiempo a la izquierda de la ecuacion y usando la ecuacion de

Darcy discretizada para DÞrx/- conduce a:

Ecuación 8-18

kÞ = ∆2Þrx2∆) �ÞÕ�x,� + (&��xÕ�x,� + &ÞrxÕ�x,�)2

Ecuación 8-19

�Þ = ∆2Þrx2∆) �ÞÕ�x,� ∗ ℎÞÕ�x,� − ∆22∆) G�ÞÕ�x,� − �ÞÕ H + (&ÞÕ�x,� + &ÞrxÕ�x,�)2 («7c − ∆2Þrx2 �ÞÕ − DÞÕ�x

Donde DÞ es el flujo en el contorno de la superficie del suelo. La implementación de una

condición de contorno siempre preserva la simetría de la matriz.

8.2.4 Estrategia de la solución numérica

8.2.4.1 Proceso iterativo

Debido a la naturaleza de las ecuaciones no lineales utilizadas se emplea un proceso

iterativo para obtener las soluciones de la ecuación de la matriz global en cada nuevo paso

de tiempo. El proceso utilizado es la Eliminacion de Gauss el cual aprovecha las

características de la matriz, tridiagonal y simétrica. Lo soluciona para el primer tiempo y

después con esta solución re-evalua las nuevas ecuaciones y soluciona nuevamente, hasta

obtener un resultado satisfactorio u obtener una convergencia.

8.2.4.2 Control de tiempo

El software introduce tres diferentes discretizaciones de tiempo la primera se encuentra

asociada con la solución numérica, la segunda está asociada con la implementación de las



83

condiciones de contorno y la tercera es aquella que proporciona la impresión de los

resultados de la simulación.

� Las dos últimas discretizaciones son mutualmente independientes, estas

generalmente involucran los pasos de tiempo descritos a la entrada del los datos.

La primera inicia con el incremento preinscrito inicialmente (delta t). Este

incremento es ajustado automáticamente siguiendo las siguientes reglas:

� La primera discretización debe coincidir con los valores de tiempo resultantes de

las discretizaciones segunda y tercera

� Los incrementos de tiempo no pueden ser más pequeños que el mínimo paso de

tiempo establecido, ni exceder el máximo incremento de tiempo establecido.

� Si durante un paso de tiempo, el numero de iteraciones para alcanzar la

convergencia es ≤ 3 el incremento de tiempo para la próxima iteración se

multiplicará por una constante predeterminada >1 (usualmente entre 1 y 1.5). Si el

numero de iteraciones es mayor o igual a ≥ 7, el incremento de tiempo para el

próximo paso se multiplicara por una constante <1 (0.3 y 0.9).

� Si durante un paso de tiempo particular, el número de iteraciones en cualquier

nivel de tiempo, llega a ser mayor que el máximo preestablecido (usualmente

entre 10 y 50), el proceso iterativo para este nivel de tiempo es terminado. El paso

de tiempo subsecuente es dividido el ∆t en 3 y reinicia el proceso de iteración.

8.2.4.3 Condiciones de contorno atmosféricas y filtración de las caras.

Los límites atmosféricos están simulados aplicando alturas o condiciones de contorno de

flujo prescritas. Si la cara de infiltración inferior durante cada iteración es considerada

saturada entonces el último nodo es prescrito con una altura de presión ℎ = 0. Sin

embargo, si este último nodo no se encuentra saturado las condiciones impuestas en este

nodo son de límites de flujo con D = 0.



84

8.2.4.4 Absorción de las raíces de las plantas

HYDRUS considera la zona de raíces consistentes en todos los nodos n, para los cuales la

distribución del potencial de absorción de las raíces es mayor que cero. La tasa de

absorción de las raíces es asumida linealmente en cada elemento. Los valores actuales de

la tasa se determinan por la siguiente ecuación:

Ecuación 8-20

�� =ã∆2� �� − ��x2o

En el cual la sumatoria se realiza sobre todos los elementos dentro de la zona de las

raíces, y donde ��K��xson las tasas de captación de agua de la raíz evaluados en los

nodos del elemento e.

8.2.4.5 Evaluación de las propiedades hidráulicas del suelo

Al iniciar la simulación HYDRUS, genera para cada tipo de suelo en el dominio del flujo

una tabla de contenidos de agua, conductividades hidráulicas y capacidades de agua

especificas desde el conjunto de parámetros hidráulicos.

Los valores �� , &�K�� son evaluados para las alturas de presión prescritas ℎ� dentro del

intervalo específico ℎ� Kℎ�. Las entradas son generadas tal que:

Ecuación 8-21

ℎ��xℎ� = («�7)}�)|

Lo cual significa que el espaciamiento entre las dos alturas de presión consecutivas se

encuentra incrementando en una función logarítmica. Si un argumento de ℎ falla fuera del

intervalo prescrito ℎ� Kℎ�. Las características hidráulicas son evaluadas directamente de

las funciones hidráulicas.



85

8.2.5 Solución Numérica de la Ecuación de Transporte de Solutos

Para la resolución de la ecuación de transporte de solutos HYDRUS 1D aplica el método de

elementos finitos de Galerkin, el cual está sujeto a condiciones iniciales y de contorno

apropiadas. Modificando la Ecuación 7-16

Ecuación 8-22

R��x��R� + ��- R��R� = RR2'ä� R��R2 , − Rå��R2 + ¦�� + æ� = 0<3(1, ��) Donde: ä� es el coeficiente de dispersión y å� velocidad efectiva y los coeficientes ¦�Kæ�

están definidos como:

Ecuación 8-23

¦�(��) = −G= ,� + = ,�H� − G=�,� + =�,�H%� <�,��çèrx1 + ��çè − G=�,� + =�,�H}é<�,� − ê�%(1 − �) <�,��çèrx1 + ��çè

Ecuación 8-24

æx(�x) = > ,x� + >�,x�% + >�,x}é − ¬�,x + êx%7x� − %�?x(�x) Ecuación 8-25

æ�(��) = i= ,�rx� + =�,�rx�% <�,�rx��rxçèë¥rx1 + ��rx��rxçèë¥ + =�,�rx}é<�,�rxj��rx + =�,�rx%7�rx� + > ,��+ >�,��% + >�,�}é − ¬�,� +ê�%7�� − %�?�(��)<3(2, ��)

?� se tiene en cuenta para posibles cambios en lo parametros de absorción debido a

cambios en la temperatura del sistema.

El factor de retardo se divide de la ecuación de trasporte en dos partes un �x para la fase

líquida y gaseosa, y �- para la fase sólida, tal como se muestra en la en Ecuación 8-26.

Ecuación 8-26

�x(��) = 1 + }é<�,�� <3(1, ��)



86

Ecuación 8-27

�-(��) = %� �<�,�b��çèrxU1 + ��çèY- <3(1, ��)

8.2.6 Discretización Espacial

El método de elementos finitos de Galerkin asume que la variable dependiente es la

función de concentración �(2, �) y esta puede ser aproximada por una serie finita ��(2, �) de la forma:

Ecuación 8-28

��(J, �) = ã ì9(2)�9(�)Þ9íx

Donde ì9 es una función de base lineal que cumple con la condición ì9(2�) =î�9donde î�9 es delta de Kronecker î�9 = 1~}¬}� = �Kî�9 = 0~}¬}� ≠ �, �9

son coeficientes desconocidos que se encuentran en función del tiempo los cuales

representan soluciones de la Ecuación 8-22 en los puntos nodales del elemento finito. N

es el número total de puntos nodales.

Las funciones lineales bases tienen la siguiente forma:

Ecuación 8-29

ìx = 1 − ðKì- = ð

Donde ð es la distancia en el sistema de coordenadas locales, para el sistema de

coordenadas globales ð es definido como:

Ecuación 8-30

ð = 2 − 2xΔ2 2x ≤ 2 ≤ 2-



87

Donde Δ2 = 2- − 2xELF., es el tamaño de un elemento finito la distancia entre los dos

puntos nodales. La solución aproximada ��(2, �) converge a la solución correcta �(2, �) cuando el número de funciones bases N se incrementa.

La aplicación del método de Galerkin el cual postula que el operador diferencial asociado

con la ecuación del transporte es ortogonal a cada una de las N funciones bases. Por

consiguiente se obtiene el siguiente sistema de N ecuaciones diferenciales en función del

tiempo con N valores desconocidos ��(�): Ecuación 8-31

� �−R�x�R� − �- R�R� + RR2 'ä R�R2 − å�, + ¦� + æ�ì�k2 = 0_4

Donde por conveniencia en la notación se redujo el índice k referente al k-esima cadena

de decaimiento. Integrando por partes los términos que contienen derivadas espaciales se

obtiene:

Ecuación 8-32

� �−R�x�R� − �- R�R� + ¦� + æ�ì�k2_4

−� 'ä R�R2 − å�, Rì�R2 k2 − D�_ì�(+) + D�4ì�(0) = 0_4

Donde D�_KD�4 son los flujos de solutos a través de los contornos inferiores y superior

respectivamente. Sustituyendo la Ecuación 8-28 por �(2, �) se obtiene:

Ecuación 8-33

ã� �−R�x�9R� ì9 − �- R�9R� ì9 − ¦�9ì9 + æ�ì�k2_�4o

−ã� 'ä�9 Rì9R2 − å�9ì9, Rì�R2 k2 − D�_ì�(+) + D�4ì�(0) = 0_�4o



88

Escrita en forma matricial

Ecuación 8-34

k(EóxFØ�Ù)k� + Eó-F kØ�Ùk� + E�FØ�Ù = Ø�Ù Donde el vector Ø�Ù contiene los valores desconocidos de la concentración nodal y donde:

Ecuación 8-35

ó9�x = � �xì9ì�k2_�4

Ecuación 8-36

ó9�- = � �-ì9ì�k2_�4

Ecuación 8-37

�9� = � 'ä kì9k2 kì�k2 – å kì�k2 ì9 − ¦ì9ì�,_�4 k2

Ecuación 8-38

�� = � æì�k2 − D�_ì�(+) + D�4(0)_�4

Ecuación 8-39

D� = −�n R��k2 + D�′ En adición a las suposiciones involucradas en el método de Galerkin, varias suposiciones

más se hacen ahora (Van Genuchten, 1980). Primero, dentro de cada elemento y en un

tiempo dado, los diferentes coeficientes o grupos de coeficientes de las Ecuación 8-35 a

Ecuación 8-39) (i.e.,��, �n,D�, ¦,å, æ y ä ) son asumidos a un cambio lineal de acuerdo

a las expresiones:



89

Ecuación 8-40

�(�, 2) = ∑ �(�, 29)ì9(2)-9íx ä(�, 2) = ∑ ä(�, 29)ì9(2)-9íx

å(�, 2) = ∑ å(�, 29)ì9(2)-9íx ¦(�, 2) = ∑ ¦(�, 29)ì9(2)-9íx

æ(�, 2) = ã æ(�, 29)ì9(2)-9íx

Debido a la Ecuación 8-40 ya no es necesario el uso de la integración numérica para

evaluar los coeficientes de la Ecuación 8-34. Segundo el agrupamiento de las masas se

involucra redefiniendo los valores nodales de la derivada del tiempo en la Ecuación 8-31

como un promedio ponderado bajo la región entera del flujo:

Ecuación 8-41

k��k� = � �f��f# ì�k2_4� �ì�k2_4

Las anteriores ecuaciones con llevan a las siguientes matrices de elementos asociadas con

la ecuación de matriz global dada en la Ecuación 8-34 note que E�F = E�xF + E�-F + E��F entonces

Ecuación 8-42

ó�9o = � �ì9ì�k2 = Δ212 ×3�xx + �-- �xx + �--�xx + �-- �xx + 3�--×-x

Ecuación 8-43

��9xo = � ä kì9k2 kì�k2 k2 = 12Δ2 × äx + ä- −äx − ä-−äx − ä- äx + ä- ×-x

Ecuación 8-44

��9-o = � å kì�k2 k2 = 16 × 2åx + å- −åx − 2å-−2åx − å- åx + 2å- ×-x



90

Ecuación 8-45

��9�o = � ì9ì�k2 = Δ212 ×3¦x + ¦- ¦x + ¦-¦x +¦- ¦x + 3¦-×-x

Ecuación 8-46

��o = � æì�k2 = Δ26 ×2æx + æ-æx + 2æ-×-x

8.2.7 Discretización En el tiempo

Ya que el método de Galerkin es usado únicamente para la aproximación de las derivadas

espaciales, las derivadas temporales son discretizadas por medio de diferencias finitas

como lo siguiente:

Ecuación 8-47

EóxFÕ�xØ�ÙÕ�x − EóxFÕØ�ÙÕ Δ� + EóxFÕ�÷ Ø�ÙÕ�x − Ø�ÙÕΔ� + 3E�FÕ�xØ�ÙÕ�x + (1 − 3)E�FÕØ�ÙÕ= 3Ø�ÙÕ�x + (1 − 3)Ø�ÙÕ

Donde Ö + 1 y Ö indican el nivel de tiempo actual y anterior, Δ� es el paso del tiempo, y

donde 3 es el coeficiente de ponderación temporal, donde diferentes esquemas de

diferencias finitas resultan dependiendo del valor de 3 (3 = 0: método explícito, 3 = 0.5

metodo de Crank-Nicholson, 3 = 1. metodo totalmente implícito).



91

9 MATERIALES Y MÉTODOS

9.1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA DEL ÁREA DE ESTUDIO

Dada la necesidad de mejorar el conocimiento de plaguicidas en terrenos de la región

centro del país dedicado especialmente a la actividad agrícola, se eligió una parcela

experimental del Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Las pruebas

fueron realizadas en el INTA ubicado en la coordenadas geográficas 63° 44’44.91’’ Oeste

31° 52’ 19.08’’ Sur, Ruta Nacional N°9 km 636, Manfredi, Córdoba, Argentina, con una

elevación de 295 msnm. El lote donde se realizaron la muestras está identificado como

lote 20 y tiene un área aproximada de 25 ha, posee un sistema de riego suplementario en

funcionamiento tipo pivote central (Ilustración 9-1). Durante el año se realiza la rotación

de cultivo entre el maíz, soja – trigo y maíz, trigo-soja.

Ilustración 9-1 Imagen satelital del lote 20. Der vista del lote 20 en barbecho con riego de pivote central

9.2 CARACTERIZACIÓN DEL SUELO

La estación experimental del INTA MANFREDI está caracterizada dentro de la llanura

central Cordobesa, en un área de transición entre la subregión que se conoce con el

nombre de plataforma basculada o Pampa alta y la subregión denominada Pampa plana.

La Pampa alta se caracteriza por presentar relieve de lomas planas muy extendidas

desarrolladas sobre sedimentos loésicos, con escasa pendiente las cuales no superan el



92

0.5%. El drenaje se encuentra por lo general orientado de norte a sur guardando entre si

un notable paralelismo, después de fuertes lluvias el desagüe o escurrimiento es llevado

hacia lagunas intermedias y temporarias, donde generalmente son eliminadas por

evaporación e infiltración.

La Pampa plana constituye una zona de bajos con suelos salinos y sódicos, mal drenados,

desarrollados a partir de sedimentos fluviales de textura arenosa o arenosa franca, los

cuales fueron generados por los desplazamientos del Río Segundo hacia el norte que

produjeron modificaciones en la organización de su drenaje y dejando sectores con cauces

abandonados o paleo cauces.

El tipo de suelo presente dentro del lote 20 se caracteriza como un haplustol étnico,

limosa gruesa, mixta, térmica para capacidad de uso IIIc. Este suelo presenta característica

bien o algo excesivamente drenado, desarrollados sobre los materiales franco limosos que

ocupan las lomas más extendidas, casi planas (INTA Manfredi, 2010.).

• El horizonte superficial A con una profundidad de 23 cm, se caracteriza por un

color en húmedo pardo grisáceo (10YR3/2) y de textura franco limosa, estructura

en bloques subangulares medios moderados; friable en húmedo; no plástico; no

adhesivo; con presencia de abúndate materia orgánica. El límite inferior es

abrupto, suave.

• horizonte transicional AC con un espesor de 30 cm se caracteriza por un color en

húmedo pardo oscuro a pardo amarillento oscuro (10YR3/3.5) y de textura franco

limosa, estructura en bloques subangulares medio débiles a masivo; friable en

húmedo; no plástico; no adhesivo; El límite inferior es abrupto, suave.

• Horizonte Ck se encuentra a partir de los 53 cm de profundidad, se caracteriza por

un color en húmedo pardo (7.5YR4.5/4) el tipo de suelo presente es franco limoso,

masivo, muy friable en húmedo; no plástico; no adhesivo y fuerte reacción al acido

clorhídrico en la masa del suelo, por lo que se presenta abundante material

calcáreo pulverulento diseminado en la masa del suelo.



93

En la Tabla 9-1, Tabla 9-2 se resumen las principales características del suelo presentes en

la zona de estudio lote 20 Manfredi.

Horizonte

Profundidad

(cm)

Arena

(%)

Limo

(%)

Arcilla

(%) H.E (%)

ø*

(g/cm3)

CC**

(cm3/cm

3)

PMP***

(cm3/cm

3)

A 0-23 16.5 68.7 15.7 0,28 1,33 0,34 0,15

AC 23-53 16.1 71.1 12.2 0,25 1,29 0,31 0,14

C 53-+ 16 71.9 11.2 0,23 1,19 0,26 0,12

* Densidad aparente del suelo;** Capacidad de campo; *** Punto de marchitez permanente

Tabla 9-1 Principales características hidráulicas del suelo

Horizonte

Profun-

didad

(cm)

Cationes de intercambio (meq/100g) MO*

(%)

N T**

(%) pH

CO***

(%) ù»�� ú°�� û»� ü� ¶�

A 0-23 9.2 1.1 0.2 2.8 1.5 1.9 0.122 6.2 1.10

AC 23-53 10.4 1.5 0.09 1.7 0.5 0.96 0.096 7 0.56

C 53-+ - - 0.4 0.7

0.40 - 8.2 0.23

* Materia Orgánica;** Nitrógeno Total; *** Carbono Orgánico Ca: Calcio, Mg: Magnesio, Na: Sodio, K : Potasio, H: Hidrogeno

Tabla 9-2 Características químicas del suelo

9.3 CONDICIONES CLIMÁTICAS

La estación experimental Manfredi se encuentra ubicada

entre áreas que por sus deficiencias hídricas la ubican dentro

de la región semiárida. La información del registro

pluviométrico se obtuvo por medio de una estación

meteorológica, ubicada dentro la zona de estudio (Ilustración

9-2), caracterizando el régimen térmico dentro de la zona

Ilustración 9-2 Estación Meteorológica iMetos



94

como templado con una temperatura media anual de 16.8°C, el mes más caluroso es

enero con una temperatura media de 23.4 ºC y julio corresponde al mes más frío del año

con una temperatura media de 9.6 ºC, por lo tanto la amplitud térmica anual resulta ser

de 13.8 ºC (INTA Manfredi, 2010.)

El régimen pluviométrico se asemeja al monzónico, prevalente en el noroeste de

Argentina. La suma total media anual es de 758 mm de los cuales un 80% se concentra

durante el semestre de Octubre – Marzo el más cálido del año; los meses más lluviosos

son Diciembre – Enero, y los más secos son Junio, Julio y Agosto.

9.4 CALIBRACIÓN DE LA CURVA DE HUMEDAD DE LOS SENSORES

Cada uno de ellos se encuentra calibrado de fábrica por ecuaciones polinómicas en los

sensores 5-TE y 10 HS, y lineal para el sensor EC-5. Se consideró que para mejorar la

precisión de cada uno de estos sensores es necesario de una calibración especifica a cada

tipo de suelo en el cual van a ser utilizados para mejorar los resultados obtenidos por el

método de calibración antes realizado (Reyna, et al., 2010).

9.4.1 Equipos utilizados

Se utilizaron tres tipos de sensores con un data loggers de marca Decagon,

� Un sensor ECH2O de Humedad, Temperatura y Conductividad Eléctrica tipo 5-TE

del Suelo. Rango 0-100% de humedad volumétrica. Longitud del cable de 5 m y

longitud del sensor 5 cm.

� Un sensor ECH2O de Humedad de Suelo tipo EC-5. Rango 0-100% de humedad

volumétrica. Longitud del cable de 5 m y longitud del sensor 5 cm.

� Un sensor ECH2O de Humedad de Suelo tipo 10 HS. Rango 0-100% de humedad

volumétrica. Longitud del cable de 5 m y longitud del sensor 10 cm.

� Los sensores almacenarán su información en Datalogger de 5 canales. Marca

Decagon. Almacenamiento de hasta 36.000 sets de datos (cada set de datos

incluye nombre del logger, fecha, hora, y 5 mediciones). Frecuencia de mediciones



95

entre 1 por minuto a 1 por día. Resolución 0,1% VWC. Comunicación serial RS-232

a PC. Alimentación 5 x baterías AA (no incluidas). Dimensiones 12,7 x 20,3 x 5,1 cm.

Alojamiento en IP55. Con software.

� Computador portátil que realizará las funciones de: configuración, captura y

análisis preliminar in situ de las mediciones de los sensores.

� Tubos de PVC (105mm. de diámetro, 250mm. de altura) para extracción de

muestras inalteradas utilizadas en la calibración de sensores.

� Recipientes en aluminio para secado de muestras de suelo de 10 g.

� Horno eléctrico para temperaturas de 105 ºC a 110 ºC.

� Balanza marca OHAUS con capacidad de 10000 g y una precisión de 0.5 g.

� Pala vizcachera para perforación y toma de muestras de suelo.

� Cinta métrica para la medición de profundidad.

9.4.2 Calibración

Se realizaron perforaciones por medio de una pala vizcachera hasta alcanzar las

profundidades de 0.1, 0.4, y 0.9m. Se extrajeron seis columnas de suelo inalterado por

medio del tubo de pvc (105mm. de diámetro, 250mm. de altura) en el lote 20 de la parte

con riego para cada profundidad de instalación de los sensores (Ilustración 9-3). Cada

sensor se introdujo dentro de cada columna de suelo perteneciente a la profundidad de

cada sensor, procurando dejar un espacio entre el sensor y las paredes del contenedor de

aproximadamente 4 cm y las otras tres, se dejaron como testigo. Los datos fueron

adquiridos por medio del datalogger Emb50.

El suelo presente en cada columna fue llevado a humedad de saturación, por medio de

ascenso capilar permitiendo así un óptimo humedecimiento del mismo. Seguidamente

fueron dejados secar a temperatura ambiente y pesados a intervalos de tiempo diario

hasta que se alcanzó la humedad residual del suelo.

Seguidamente se retira el contenido de suelo de cada columna, colocándolo sobre un

recipiente de aluminio y por medio de un horno eléctrico a una temperatura de 105º



96

Celsius durante 18 horas se seca cada muestra. Se pesaron en una balanza de precisión 0,5

g obteniendo así el valor de peso en seco de cada muestra y posteriormente se obtuvieron

las respectivas humedades gravimétricas para cada valor medido en el intervalo total de

tiempo.

Ilustración 9-3 Toma de muestra inalterada para calibración de los sensores

Los valores de densidad y contenido de humedad volumétrica del suelo son obtenidos por

medio de la modificación de las Ecuación 4-3 y Ecuación 4-4 para utilizar los valores

obtenidos en laboratorio (ANEXO A):

Contenido de humedad volumétrica

Ecuación 9-1

�" = �ý�� =(9þ�r9þþ)¥��©`��

Donde el volumen de agua

Ecuación 9-2

� = (��h −��)x�:9`

Y la densidad del suelo



97

Ecuación 9-3

k|�7[k}k = ��

Donde

�"= Contenido de humedad volumétrica

� = Volumen de agua

��= Volumen total

��h= Masa de suelo húmedo

�� = Masa de suelo seco

9.4.3 Obtención de la curva de calibración

Se utilizo el software matemático para el ajuste clásico de curvas por mínimos cuadrados.

El procedimiento a seguir fue unir todos los pares (RAW, medida) de las columnas y

separarlos por cada tipo de sensor. Empleando las muestras así agrupadas llevamos a

cabo la calibración buscando la minimización del error cuadrático medio (RMSE) con

polinomios cúbicos y lineales dependiendo del sensor.

Para ello, se calculó la humedad gravimétrica, la volumétrica y la densidad del suelo; se calculó el error cuadrático medio RMSE y el

calculó el error cuadrático medio RMSE y el coeficiente de determinación R2 como muestra en la

muestra en la



98

Ecuación 9-4 y Ecuación 9-5

Ecuación 9-4

��ä = �1�ãEK� − �(J�)F-��íx

Ecuación 9-5

- = ∑ EK� − �(J�)F-��íx∑ (K� − KB)��íx , Donde K� son los � valores de humedad obtenidos a partir de los datos gravimétricos, J� las medidas RAW de los sensores, �(J�) la salida del modelo.

9.5 MODELO NUMÉRICO PARA MOVIMIENTO DEL AGUA

En el proceso de calibración de los parámetros de vG-M no se tuvo en cuenta la absorción

por las raíces, ya que en el periodo comprendido el suelo se encontraba en descanso,

mientras que en la simulación para la obtención de los coeficientes de transporte de la

atrazina, se ha adoptado la función para la distribución de las raíces tipo Trapezoidal de

Absorción de (Gardner, 1967), y para la simulación del efecto del estrés hídrico del suelo

sobre la absorción radicular se ha utilizado la función de Feddes (Feddes, et al., 1978) con

los parámetros correspondientes para el cultivo de maíz.

A partir de la modificación de la ecuación de Richards Ecuación 5-14 y de dos supuestos: el

aire no juega un papel importante y los gradientes térmicos pueden ser despreciados,

queda escrita de la siguiente manera:

Ecuación 9-6

R�R) = RRJ £& 'RℎRJ + cos c,¤ − �

Donde α es el ángulo entre la dirección del flujo y el eje vertical (i.e 0° flujo vertical; 90°

flujo horizontal), y & es la conductividad hidráulica no saturada E+�rxF. La discretización

de la Ecuación 9-6 se presenta en el capítulo 8 Ecuación 8-1.



99

Las propiedades hidráulicas del suelo fueron modeladas usando la ecuación constitutiva

de Van Genuchten acoplada al modelo de Mualem (Van Genuchten, 1980) presentada

como el modelo de Van Genuchten – Mualem:

Ecuación 9-7

�(ℎ) = �(J) = p�w + �� − �w]1 + |cℎ|xr¥�a , ℎ < 0��, ℎ ≥ 0v

Donde θ(h) es el contenido volumétrico de agua Ecm�cmr�F a succión ℎ(+) . Los

parámetros θ�yθ son el contenido residual y contenido de agua a saturación, en (cm3

cm-3); c (> 0(�rx) es el inverso del valor de entrada de aire, y �(> 1) es un índice de

la distribución de poros.

Ecuación 9-8

&(ℎ) = &�o� 1 − £1 − �o��ë¥¤�-

Siendo &((�krx) la aproximación correspondiente al punto de saturación, � el

parámetro que representa la conectividad de poros en la función de conductividad

hidráulica, y S� la saturación efectiva escrita como:

Ecuación 9-9

�o = �(ℎ) − �w�� − �w

La extracción de agua por la planta fue considerada a partir del modelo de Feddes

(Feddes, et al., 1978)

Ecuación 9-10

�(ℎ) = (ℎ)�;



100

Donde el término de extracción S es función del potencial de presión (ℎ) y de la

extracción potencial de agua por la planta �;. (ℎ) es una función adimensional de

respuesta al estrés hídrico que toma valores entre 0 y 1 en función del valor de ℎ.

La precipitación (P) se ha obtenido a partir de un pluviómetro automático de la estación

meteorológica ubicada en el lote de estudio para los meses de julio 2010 hasta mayo del

2011; mientras que la evapotranspiración (ä�4) ha sido calculada según la ecuación

combinada de Penman-Monteith (Monteith, 1981), a partir de las variables

meteorológicas medidas por la misma estación.

La programación de riego se realiza por medio de la obtención del balance hídrico del

cultivo cuyos valores fueron adicionados en los registros de precipitación para los días:

fecha 18-ene-11 15-feb-11 16-feb-11 11-mar-11 07-abr-11 08-abr-11 TOTAL

Lamina (mm) 18 4,5 22 30 30 30 134,5

Tabla 9-3 Registro de riego aplicado

9.5.1 Condiciones iniciales y de contorno

Se definió un dominio de flujo unidimensional con una profundidad de 150 cm para los

tres horizontes, se impuso una condición de contorno atmosférica con escorrentía tipo

Newman. En el límite inferior del dominio la condición fue de drenaje libre tipo Direchlet,

es decir que el gradiente de potencial hidráulico fue igual a la unidad para el movimiento

del agua.

En la zona superficial del suelo la malla utilizada fue más densa. A medida que aumentó la

profundidad, la dimensión vertical de los elementos se incrementó hasta una anchura de

2.8 cm. Esta mayor densificación en la zona superior se debe a que en esta parte es donde

se produce más activamente el movimiento de agua debido a la infiltración como a la

evaporación.



101

Como condición inicial se adoptaron los contenidos de agua obtenidos para todo el perfil

del suelo. Con nodos de observación a 10, 40 y 90 cm para comparar con los datos

obtenidos experimentalmente.

Ilustración 9-4 Izq: Perfil grafico de los contenidos de humedad. Der: Perfil grafico de la malla y nodos de observación

9.5.2 Modelación inversa parámetros del suelo

La optimización de los parámetros de las ecuaciones de Van Genuchten-Mualem, por

medio de la técnica de modelación inversa se aplico inicialmente a los parámetros

estimados a partir de ecuaciones de edafo-transferencia (FETs) elegidas a partir de la

teoría de redes neuronales mediante el código ROSETTA (Schaap, et al., 2001). Este código

permite obtener los parámetros ��, �w , &�, cK� a partir de información de fácil medida o

de fácil disponibilidad, de acuerdo a los datos obtenidos en la Tabla 9-1 se calcularon los

siguientes parámetros:

Horizonte �w(��/(�� (��/(�� c � &� (�/k[} � A 0.0532 0.4137 0.0072 1.5638 41.68 0.5

AC 0.0478 0.4066 0.0086 1.5416 59.35 0.5

C 0.0438 0.4158 0.0123 1.4992 77.76 0,5



102

Tabla 9-4 Parámetros obtenidos por el código Rosetta con el cuarto modelo seleccionado

Para ello se minimizó la función objetivo que tiene en cuenta las diferencias entre los

contenidos de agua medidos, por medio de una sonda de neutrones y por el método

gravimétrico, y los simulados (Arbat, et al., 2005). El proceso de optimización se realizó en

tres pasos. En el primer paso los parámetros seleccionados para optimizar fueron ��, cK� para todos los horizontes conjuntamente. El segundo paso optimizó el

parámetro �wK&� y finalmente se modeló con todos los parámetros optimizados.

Este procedimiento es sugerido dado a que los parámetros del modelo de vG-Mualem

más sensibles a las variaciones de contenido de humedad son el contenido de humedad

saturada (��), seguido del factor alfa (c), de � y de la conductividad hidráulica saturada (&�), y en una menor medida el contenido de humedad residual (�w) (Arbat, et al., 2005).

Las restricciones utilizadas en la optimización son planteadas con el fin de conservar los

significados físicos convencionales de los parámetros del modelo

Ecuación 9-11

�� 0 ≤ �w ≤ 0.30.6e ≤ �� ≤ ek«�k|e = 1 − %2,650.0001 ≤ c ≤ 11 ≤ � ≤ 10

v 9.6 MODELO NUMÉRICO PARA EL TRANSPORTE DE CONTAMINANTES

Para modelar la concentración de una sustancia contaminante sometida a procesos de

adsorción se utilizó la ecuación de transporte advectivo-difusivo expresada mediante la

Ecuación 7-16

R�R� = 1 R�R2 '−8 + nÂ R�R2,

Donde suponemos que la concentración del soluto en las fases sólida y líquida está

relacionada por una isoterma de adsorción lineal, el factor de retardo R toma la siguiente

expresión:



103

Ecuación 9-12

= '1 + %&¾� , Siendo &¾ el coeficiente de distribución o de adsorción U _��Y que caracteriza a la isoterma

lineal

9.6.1 Las condiciones iniciales y de contorno

Se utilizaron condiciones de borde de tipo Neuman en ambos extremos del dominio

correspondientes al valor del flujo advectivo-dispersivo del contaminante. Por otra parte,

es necesario establecer un perfil de concentración que describa el estado de

contaminación inicial a partir del cual se comienza la simulación. Dentro del programa se

consideró como condiciones iniciales que tenga en cuenta las concentraciones en la fase

líquida, para el límite superior, considerando concentración de flujo y en el límite inferior

del dominio se considero gradiente cero (drenaje libre).

9.6.2 Modelación inversa parámetros de la solución

Se obtuvieron los parámetros de dispersión longitudinal y coeficiente de adsorción

isotérmica en agua (n� K&¾) del herbicida aplicado (Atrazina) por medio de la modelación

inversa de la ecuación de transporte, donde se ajustaron los valores de concentración

(mg/Kg) obtenidos en campo para cada horizonte del suelo, en una concentración de

ingrediente activo de 8.33 9�:9` de atrazina y considerando un caudal de entrada de 0.002

cm/hora.

9.7 OBTENCIÓN DE CONCENTRACIÓN DE ATRAZINA EN CAMPO

Este se realizó entre los meses de diciembre del 2010 y marzo del 2011. La aplicación de

los herbicidas atrazina se realizó con fumigación terrestre tipo “mosquito” con una

concentración de 2lts por Ha.



104

Se hicieron 6 muestreos de tipo simple aleatorio sistemático (Reyna, et al., 2011), a

profundidades de 0.05, 0.4 y 0.90 m con barreno manual (IRAM 29481-1, 2 y 4 y ASTM

Standards on Environmental Sampling, 1995). El tiempo para la cual se realizó la

adquisición de las muestras fue previo a la aplicación de la Atrazina y Acetoclor

(concentración de 2 L/Ha) y a los 7, 15, 30, 60, 90 días después de la aplicación (Ilustración

9-5).

Ilustración 9-5 Izq: 1ºCampaña de muestro Diciembre. Der: 6º Campaña de muestreo Abril

Ilustración 9-6 Izq: Empacado de las muestras de campo. Der: Almacenamiento de todas las muestras de campo en frío

Se utilizó un cromatógrafo liquido (HPLC) Alliance 2695 (WATERS), con un detector de

espectrometría de masas triple cuadrupolo (qQq) Quattro Ultima Pt(Micromass). Las

muestras fueron analizadas por Electrospray a presión atmosférica en modo positivo y

negativo (API ESI +/-). En el análisis de Atrazina y Acetoclor se utilizó una columna C18 de

100x2.1 mm Hypersil Gold (Thermo). Un sistema de gradiente entre agua (20 mM de

formiato de amonio) y metanol.



105

Las muestras fueron extraidas con una mezcla de agua/acetonitrilo y acido fórmico e

inyectadas en el HPLC/MS/MS. Se analizaron por monitoreo de reacción múltiple (MRM)

utilizando los siguientes iones específicos: Plaguicida Ion padre Iones hijos Atrazina 216

174 (ion de cuantificación) 96 (ion de confirmación) Acetoclor 224 133 (ion de

cuantificación) 148 (ion de confirmación).

Los Patrones usado son Atrazina Supelco (49085), Acetoclor Sigma-Aldrich (33379). Las

cuantificaciones se hicieron por el método de estándar externo y las curvas fueron

preparadas en extracto de matriz.

El suelo del lote sobre el que se realizaron los ensayos fue caracterizado en sus

propiedades físicas y químicas en laboratorio, Fósforo Extractable (método Bray y Kurtz),

Nitrógeno de Nitratos (método Fenildisulfónico), Nitrógeno Total (método Kjieldahl),

Materia Orgánica (método Walkley & Black), Cond. Eléctrica (método relación suelo/agua:

2,5 x 5).



106

10 ANALISIS Y RESULTADOS

10.1 ANÁLISIS Y RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN DE LOS SENSORES

Las unidades RAW permiten conocer como es el comportamiento de la humedad en los

puntos de medición, debido a que el aumento de estas unidades significa un aumento en

la humedad del suelo. El rango de los valores RAW son diferentes para cada tipo de

sensor.

Por lo tanto el sensor EC-5 el máximo valor es de 1100 y el mínimo de 600 RAW, el sensor

10-HS el máximo valor es de 1400 y el mínimo de 800 y en el sensor 5-TE el máximo valor

es de 1300 y el mínimo de 250.

Se graficaron los resultados obtenidos para las calibraciones realizadas al suelo del lote 20

en Manfredi y para otro tipo de suelo de Córdoba que se encuentra en el country cañuelas

al cual se le realizo un proyecto de instalación para el seguimiento de humedad (ANEXO

C). En la Ilustración 10-1 muestra los puntos de contenidos de humedad volumétrica y la

regresión lineal aplicada en el suelo del lote 20 de Manfredi presentado un rango de

variación de humedad, el cual se encuentra entre una mínima (residual) de 0.9 para 287

RAW y una valor máximo (saturado) de 0.38 con 1240 RAW.

La mejor curva de regresión que se ajusta a los valores obtenidos es una polinómica

cúbica, presentando coeficientes de determinación R2 de 0,9938 para el country cañuelas

y 0.9914 para el lote 20 de Manfredi lo cual significa un excelente ajuste a los puntos

obtenidos.

En la Ilustración 10-2 se interpreta que para el suelo del country cañuelas la curva del

sensor 5-TE se ajusta en un rango de humedad residual de 0,058 para 290 RAW y un valor

máximo de contenido de humedad saturada de 0,41 para 1145 RAW.



107

Ilustración 10-2 Curva de calibración para el sensor 5-TE con

el suelo del country Cañuelas

El sensor 10-HS la curva que mejor se ajusta a los valores obtenidos es una polinómica

cuadrática por lo que en la Ilustración 10-3 se observa los puntos obtenidos de contenido

de humedad volumétrica y la regresión aplicada a estos puntos. Del suelo del lote 20 de

Manfredi se obtiene un coeficiente de determinación R2 de 09685 y un rango de humedad

con un valor mínimo de 0.07 para 820 RAW y un valor máximo de 0.40 para 1360 RAW.

Igualmente para el suelo del country cañuelas Ilustración 10-4 se muestran los puntos y

regresión aplicada a los contenidos de humedad volumétrica obtenidos, los cuales

presentan para una curva polinómica cuadrática un buen ajuste con un coeficiente de

determinación R2 de 0,9951 y un rango de humedad con un valor mínimo de humedad

(residual) de 0,05 para 884 RAW y un valor máximo de contenido de humedad (saturada)

de 0,41 para 1425 RAW.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 500 1000 1500

Hu

me

dad

Unidades Raw

Sensor 5-TE

5TE Humedad CañuelasPolinómica (5TE Humedad Cañuelas)

00.05

0.10.15

0.20.25

0.30.35

0.40.45

0 500 1000 1500

Hu

me

dad

Unidades Raw

Sensor 5-TE

5TE Humedad ManfrediPolinómica (5TE Humedad Manfredi)

Ilustración 10-1 Curva de calibración para el sensor 5-TE con el

suelo de Manfredi



108

Ilustración 10-3 Curva de calibración para el sensor 10-HS

con el suelo de Manfredi

Ilustración 10-4 Curva de calibración para el sensor 10-HS

con el suelo del country cañuelas

Ilustración 10-5 Curva de calibración para el sensor EC-5 con

el suelo de Manfredi

Ilustración 10-6 Curva de calibración para el sensor EC-5 con

el suelo del country cañuelas

Para el suelo del lote 20 de Manfredi la curva que mejor se ajusta a los puntos medidos es

una lineal, obteniéndose un coeficiente de determinación R2 de 0.9880 y valores de

contenido de humedad mínimos (residual) y máximos (saturados) de 0.095 para 743 RAW

y 0.416 para 1016 RAW tal como se observa de la Ilustración 10-5.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 500 1000 1500

Hu

me

dad

Unidades Raw

Sensor 10-HS

10HS Humedad ManfrediPolinómica (10HS Humedad Manfredi)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 500 1000 1500

Hu

me

dad

Unidades Raw

Sensor 10-HS

10HS Humedad CañuelasPolinómica (10HS Humedad Cañuelas)

00.05

0.10.15

0.20.25

0.30.35

0.40.45

0 500 1000 1500

Hu

me

dad

Unidades Raw

Sensor EC-5

EC-5 Humedad Manfredi

Lineal (EC-5 Humedad Manfredi)

00.05

0.10.15

0.20.25

0.30.35

0.40.45

0 500 1000 1500

Hu

me

dad

Unidades Raw

Sensor EC-5

EC-5 Humedad Cañuelas

Polinómica (EC-5 Humedad Cañuelas)



109

Mientras que la curva que mejor se ajusta a los valores obtenidos para el suelo del country

cañuelas es una polinómica cuadrática, presentando un coeficiente de determinación R2

de 0,9958 lo cual es un excelente ajuste a los puntos obtenidos. El rango de esta curva se

encuentra desde un valor mínimo de humedad (residual) de 0,09 para 770 RAW y un valor

máximo de contenido de humedad (saturada) de 0,40 para 1040 RAW.

En la Tabla 10-1 se presentan los valores de los coeficientes de cada una de las ecuaciones

obtenidas en el proceso de calibración para cada uno de los sensores instalados (5-TE, 10-

HS y EC-5) y el coeficiente de determinación obtenido para las curvas de ajuste.

Sensor Grado a b c d R^2

EC-5 2 - 0.000003148300 -0.004536146720 1.708190867588 0.99583728

EC-5 1 - - 0.001174178200 -0.779718970700 0.98807706

10 HS 2 - 0.000000422279 -0.000301371797 -0.013835371064 0.99519660

10 HS 2 0.000000609513 -0.000733311890 0.270396192888 0.96859394

5-TE 3 0.000000000423 0.000000868792 -0.000115100971 0.027395965218 0,99387483

5-TE 3 -0.000000000221 0.000000667898 -0.000290807718 0.133864464770 0.99149713

Tabla 10-1 Coeficientes de las ecuaciones polinómicas de calibración de cada sensor. Ecuación ax^3+bx^2+cx+d

Durante el procesamiento de los datos en la calibración se obtuvieron las densidades para

cada horizonte del suelo muestreado en el lote 20 de Manfredi tal como se presenta en la

Tabla 4-1 las cuales permiten transformar el contenido de humedad gravimétrica en

contenido de humedad volumétrica:

Horizonte del suelo

Densidad del suelo Manfredi

g/cm^3

A 1.4636

AC 1.2826

C 1.2579

Tabla 10-2 Densidades para los tres horizontes de suelo en el lote 20 de Manfredi

Se aplica un análisis de sensibilidad a los coeficientes de las ecuaciones de cada uno de los

sensores para determinar cuál era el coeficiente que mas influía en los cambios del



110

contenido de humedad. Para el sensor EC-5 (Ilustración 10-7) se observa que una

variación de un 5% en el coeficiente c se obtiene una variación del 20% en la humedad lo

cual lo hace muy sensible a variaciones del orden decimal.

Ilustración 10-7 Análisis de sensibilidad unidimensional del coeficiente de la ecuación de calibración a

Ilustración 10-8 Análisis de sensibilidad unidimensional del coeficiente de la ecuación de calibración n=a,b,c

-80%

-60%

-40%

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

-10% -8% -6% -4% -2% 0% 2% 4% 6% 8% 10%

Var

iaci

on

po

rce

ntu

al d

e la

hu

me

dad

Variacion porcentual del coeficiente a

Sensor EC-5 ax+b

EC-5 a

-150%

-100%

-50%

0%

50%

100%

150%

-10% -8% -6% -4% -2% 0% 2% 4% 6% 8% 10%

Var

iaci

on

po

rce

ntu

al d

e la

hu

me

dad

Variacion porcentual del coeficiente n

Sensor 10- HS ax3+bx2+cx+d

10HS a 10 HS b 10HS c



111

Ilustración 10-9 Análisis de sensibilidad unidimensional del coeficiente de la ecuación de calibración a,b,c

Igualmente, de la Ilustración 10-8, se puede observar que los coeficientes más sensibles a

variar son el b y c variando estos coeficientes un 1% se obtiene una variación de la

humedad superior al 100%. De Ilustración 10-9 la variación más significativa ocurre con el

coeficiente b, el cual para un incremento del 2% varía aproximadamente un 5% la

humedad.

Por lo tanto las variaciones en los coeficientes generan que en la calibración de cada una

de las ecuaciones se obtengan coeficientes con una cantidad significativa de decimales, ya

que una aproximación de estos puede originar un cambio significativo en el contenido de

humedad.

10.2 ANÁLISIS Y RESULTADOS DE LA OBTENCIÓN EN LABORATORIO DE LA ATRAZINA.

Las tomas de las muestras se llevaron a cabo bajo condiciones de labranza cero en una

parcela de 10 hectáreas dentro de los terrenos experimentales de INTA Manfredi, en la

provincia de Córdoba - Argentina. Esta toma de muestras se realizó dentro del proyecto

de Secyt y en colaboración con otros investigadores. La prueba se llevó a cabo bajo el

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

-10% -8% -6% -4% -2% 0% 2% 4% 6% 8% 10%

Var

iaci

on

po

rce

ntu

al d

e la

hu

me

dad

Variacion porcentual del coeficiente n

Sensor 5TE ax3+bx2+cx+d

5-TE a 5-TE-b 5-TE c



112

sistema de riego centralizado o pivote central, lo que aseguró el riego uniforme sobre los

cultivos.

Con respecto a las determinaciones de Acetoclor, es de destacar que con la metodología

aplicada en laboratorio no fue posible determinarlo.

La Ilustración 10-10 detalla la caracterización del suelo del lote 20 correspondiente al sitio

de la toma de muestras para las pruebas, se ilustran los porcentajes de: materia orgánica

(% MO), carbono orgánico (% CO), nitrógeno total (% Nt). De acuerdo a los resultados se

observa que hay un buen contenido de materia orgánica y el nitrógeno total a los 5 cm y

desde los 40 cm estos contenidos bajan drásticamente a lo largo del todo el perfil, de igual

manera sucede con el porcentaje de carbono orgánico, el cual se encuentra en un buen

contenido a los 5 cm y después decae.

Ilustración 10-10 Caracterización del suelo a las diferentes profundidades (Reyna, et al., 2011)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

Pro

fun

did

ad (

cm)

g/(100 g suelo)

Carbón Orgánico Materia Orgánica Nitrógeno Total

Profundidad 5cm

Profundidad 40 cm

Profundidad 90cm



113

Ilustración 10-11 Concentración de atrazina en el punto de muestreo en función del tiempo (Reyna, et al., 2011)

Ilustración 10-12 Atrazina en el punto de muestreo a distintas profundidades y para distintos tiempos. (Reyna, et al., 2011))

00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.009

0.010.0110.0120.0130.0140.015

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Atr

azin

a (m

g/kg

)

Tiempo (días)

Concentracion de Atrazina

Nivel 5 Nivel 40 Nivel 90

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016

Pro

fun

did

ad (

cm)

Atrazina (mg/kg)

Perfil de concentracion de la Atrazina

Atrazina Día 0 Atrazina Día 7 Atrazina Día 15Atrazina Día 30 Atrazina día 60 Atrazina Día 90



114

Se observa en Ilustración 10-11 una rápida transferencia de la atrazina, lo cual permite

que a medida que la profundidad aumenta sus concentraciones disminuyan

significativamente. El pico de concentración que se observa a los 5 cm de profundidad

corresponde al día séptimo después de haber aplicado el producto por lo que

concentraciones superiores se pueden detectar si se realizan muestreos más cerca al día

de la aplicación.

La concentración encontrada a los 90 cm de profundidad como se observa en la

Ilustración 10-12 puede representar una concentración residual del terreno, dado que

este terreno ya tiene historia en la aplicación de estos químicos. Lo ideal sería conseguir

un terreno libre o de bajas aplicaciones y realizar el monitoreo de las variaciones de la

atrazina en parcelas bajo una continua actividad agrícola.

El Aceto-cloro en las muestras, no se pudo determinar con el método de laboratorio

aplicado, por lo que su concentración debería encontrarse por debajo del límite de

detección de la prueba la cual es de 0.001 mg / kg de suelo.

Finalmente, es importante destacar que en Argentina no existen valores de referencia

sobre las concentraciones de pesticidas que implica la contaminación del suelo, ni en los

metabolitos o productos químicos o microbianos de degradación. En consecuencia, este

tipo de estudios contribuyen al desarrollo de instrumentos de gestión ambiental y la

mejora de la calidad de la información disponible para la toma de decisiones y la creación

de la regulación en los casos puntuales de impacto evidente.

10.3 ANÁLISIS Y RESULTADOS DE LA MODELACIÓN DEL FLUJO Y TRANSPORTE

Para el proceso de modelación inversa se tuvieron en cuenta los valores aportados por

una campaña de medición, los cuales obtuvieron valores de humedad del terreno

aplicando un método de obtención por gravimetría y otro por medio de una sonda de

neutrones. Los parámetros del modelo que se obtuvieron para cada uno de los métodos

aplicados para la obtención de humedad se presentan en la Tabla 10-3 y la Tabla 10-4:



115

Horizonte �w(��/(�� (��/(�� c � &� (�/k[} � A 0,04931 0,4065 0,06263 1,092 35,59 0,5

AC 0,114 0,51 0,0006975 1,246 59,3501 0,5

C 0,0438 0,4937 0,003697 1,268 11,69 0,5

Tabla 10-3 Parámetros de vG-M optimizados para los datos gravimétricos

Horizonte �w(��/(�� (��/(�� c � &� (�/k[} � A 0,05392 0,4402 0,008352 1,139 41,74 0,5

AC 0,04796 0,5073 0,001869 1,289 115,4 0,5

C 0,04351 0,5449 0,002747 1,3888 74,04 0,5

Tabla 10-4 Parámetros de vG-M optimizados para los datos de la sonda de neutrones

El coeficiente de correlación cuadrático - obtenido para cada uno de los métodos son de

0.834 y 0.9561 para la correlación de los datos observados vs los simulados por HYDRUS,

estos valores se pueden considerar como un buen ajuste de los parámetros, ya que se

obtienen errores estándar >0.1 para todos los parámetros ajustados del suelo.

Ilustración 10-13 Laminas de lluvias ocurridas en el periodo de medición del 20/07/10 al 30/09/10

De la Ilustración 10-13 presenta las láminas de lluvias en cm durante el periodo de

medición del 20 de julio del 2010 al 30 de septiembre del 2010 el cual comprende un total

de 73 días y donde la máxima lámina caída es de 1.5 cm. Esta es utilizada para realizar el

proceso de optimización de los parámetros hidráulicos y modelación de los perfiles de

0

0.5

1

1.5

2

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73

Lám

ina

de

llu

via

(cm

)

días

Lámina de Lluvia

Lámina de Lluvia en cm



116

humedad con los datos obtenidos de contenido de humedad por el método gravimétrico y

la sonda de neutrones tal como se presentan en las siguientes ilustraciones.

Ilustración 10-14 Comparación de los perfiles de humedad

gravimétricos observados y simulados

Ilustración 10-15 Comparación de los perfiles de humedad de

la sonda de neutrones observados y simulados

En la Ilustración 10-14 e Ilustración 10-15 se presentan los perfiles de humedad obtenidos

antes de que ocurra el primer evento de lluvia, se observa que la correlación de los datos

observados con los datos simulados en el perfil gravimétrico no presenta un gran ajuste a

lo largo de toda la profundidad. Mientras que para el perfil obtenido por la sonda de

neutrones y los simulados se ajustan perfectamente a partir de 40 cm de profundidad, en

los primeros 30 cm el modelo tiende a disminuir el contenido de humedad presentando

discrepancias con los datos observados.

Igualmente se realizan perfiles de humedad para los dos métodos después de ocurrido

algún evento de lluvia donde en los perfiles gravimétricos (Ilustración 10-16), los datos

observados y simulados presentan el mismo comportamiento pero el contenido de

humedad simulada se encuentra desfasada un 3% menos con respecto al contenido de

humedad del método gravimétrico. En la Ilustración 10-17 las humedades que se

encuentran en la superficie el modelo tiende a reducir el contenido de humedad con

respecto al valor de humedad observada. Mientras que a medida que aumenta la

profundidad la precisión de este aumenta y presentan el mismo comportamiento.

0

20

40

60

80

100

120

140

0.100 0.150 0.200 0.250 0.300

Pro

fun

did

ad (c

m)

Humedad

Perfil de humedad día 02/08/2010

Gravimetrico Simulado

0

20

40

60

80

100

120

140

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Pro

fun

did

ad (c

m)

Humedad

Perfil de humedad día 02/08/2010

Sonda de Neutron Simulada



117

Ilustración 10-16 Comparación de los perfiles de humedad

gravimétricos observados y simulados

Ilustración 10-17 Comparación de los perfiles de humedad de

la sonda de neutrones observados y simulados

Ilustración 10-18 Simulación directa con los parámetros

optimizados a 10 cm y lámina de lluvia para la sonda de

neutrones.


optimizados a 10 cm y lámina de lluvia para los datos del

método gravimétrico.

Simulando la variación del contenido de humedad para los datos optimizados obtenidos

por los métodos de medición de neutrones y gravimétricos, se observa en las Ilustración

9-18 e Ilustración 10-19 que para la profundidad de 10 cm u horizonte A, la evolución en

el tiempo de las medidas experimentales y de los valores simulados siguió una misma

0

20

40

60

80

100

120

140

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

Pro

fun

did

ad (c

m)

HumedadPerfil de humedad día 13/09/2010

Gravimetrico Simulado

0

20

40

60

80

100

120

140

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Pro

fun

did

ad (c

m)

HumedadPerfil de humedad día 13/09/2010

Sonda de Neutron

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0

Lám

ina

(cm

)

Hu

me

dad

Días

Humedad a 10 cm Observada vs Simulada

Sonda de Neutron Simulada Lámina de lluvia

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0

Lám

ina

(cm

)

Hu

me

dad

Días

Humedad a 10 cm observada vs simulada

Simulado Gravimetrico Lámina de lluvia



118

pauta, con pequeñas diferencias entre ellos ajustándose mejor a los datos de la sonda de

neutrones.



neutrones



método gravimétrico



neutrones



método gravimétrico

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0.200

0.220

0.240

0.260

0.280

0.300

0.320

0 20 40 60 80Lá

min

a d

e ll

uvi

a (c

m)

Hu

me

dad

Días


Sonda de Neutron simulada Lámina de lluvia

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0.2

0.22

0.24

0.26

0.28

0.3

0.32

0.34

0 20 40 60 80

Lám

ina

(cm

)

Hu

me

dad

Días



0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0.200

0.205

0.210

0.215

0.220

0.225

0.230

0.235

0.240

0 20 40 60 80

Lám

ina

de

llu

via

(cm

)

Hu

me

dad

Días


Sonda de Neutron simulada Lámina de lluvia

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0.15

0.17

0.19

0.21

0.23

0.25

0.27

0.29

0 20 40 60 80

Lám

ina

(cm

)

Hu

me

dad

Días





119

En cuanto a la evolución de los contenidos de agua observados y simulados a 40 y 90 cm

de profundidad muestran un comportamiento muy distinto, observándose un incremento

en el contenido de agua de simulación desde el día 65 debido a la lluvia de 1.52 cm

ocurrida el día 22 de Septiembre del 2010 a excepción de la Ilustración 9-23 la cual no

registra una tendencia aumentar. Este hecho pone en evidencia que los parámetros de la

ecuación de VG-M correspondientes a los horizontes AC y C, ajustados mediante

modelación inversa no han proporcionado buenos resultados.

Algunas de las causas se debe a que sólo se dispuso de medidas experimentales del

contenido de agua para realizar la calibración, mientras que si se dispone de mediciones

de valores de contenido y potencial esto mejoraría los resultados de la calibración (Arbat,

et al., 2005).

Para la obtención de los parámetros de la ecuación de transporte de la atrazina se

plantean dos escenarios para obtener los valores optimizados, uno de ellos es tomando

los parámetros del suelo obtenido a partir de la modelación inversa con los datos

observados del sensor de neutrones y el segundo escenario es considerando los

parámetros optimizados obtenidos del método gravimétrico. Tanto los datos de condición

inicial, de borde y meteorológicos son modificados para las fechas del 21 de diciembre del

2010 al 25 de mayo del 2011, obteniéndose los siguientes resultados

Horizonte Kd (L/Kg) S.E.Coeff

A 0.41 0.0191

AC 0.61 0.0277

Tabla 10-5 Valores obtenidos de la modelación inversa del

escenario uno

Horizonte Kd (L/Kg) S.E.Coeff

A 0.1647 0.015

AC 0.2026 0.24

Tabla 10-6 valores obtenidos de la modelación inversa del

escenario dos

De la Tabla 10-5 y el valor del coeficiente de adsorción Kd del horizonte A y AC se

encuentra dentro de los rangos publicados en la literatura, dentro de los valores de Kd

estimados estos fueron los que mejor ajuste tuvieron con los datos obtenidos y están



120

dentro los valores obtenidos de referencia 0,2-2 L kg-1 y son aproximados a los

determinados para los suelos de Córdoba (Hang & Sereno, 2002.), aunque menores a los

calculados mediante la ecuación de regresión propuesta por (Weber, et al., 2004.):

&k = 4,1 + 0,43%� + 0,09%5¬([��}7(< 2=�)– 0,81~A(}?Å}1: 1) Donde la aplicabilidad de la ecuación fue verificada para los suelos de Córdoba con datos

de 19 suelos cuyos Kd y propiedades habían sido previamente determinadas (Hang &

Sereno, 2002.). Los valores de Kd según las características de cada horizonte se presentan

en la Tabla 10-7

Horizontes Kd (L/Kg)

A 1.2109852

AC -0.6709456

C -1.370637

Tabla 10-7 Valores de Kd obtenidos de la ecuación de Weber

Los valores obtenidos en negativo son considerados como 0. De la Tabla 10-6, los

coeficientes kd para los horizontes AC y C se encuentran por debajo a los obtenidos por la

calibración con parámetros de la sonda

Los valores obtenidos de dispersión longitudinal presentan un intervalo de error muy

amplio lo cual lo hacen muy poco exactos para considerarlos.

No obstante valor obtenido para el ajuste de cada uno de los datos observados vs los

simulados estimados por medio del error medio cuadrático R2 es de 0.9278 y 0.8772. Esto

representa un buen ajuste del modelo ajustado con la sonda de neutrones pero para el

modelo con datos gravimétrico no es considerado muy bueno.

Algunas de las causas que pueden modificar este coeficiente es la afectación por el % de

materia orgánica y el pH, causando que para mayores pH y menor contenido de materia

orgánica el coeficiente de adsorción disminuya.



121

Ilustración 10-24 Comparación de los valores observados por

la sonda de neutrones con los ajustados por la optimización

Ilustración 10-25 Comparación de los valores observados por

el método gravimétrico con los ajustados por la optimización

El comportamiento de los datos simulados, con los parámetros de la sonda de neutrones

frente a los datos obtenidos en laboratorio, (Ilustración 10-24) sobreestima el pico

máximo de concentración a los 5 cm de profundidad y luego decae presentando valores

más bajos de los obtenidos. A los 40 cm de profundidad los valores simulados presentan

ascenso en la concentración a partir del día 7 alcanzando el máximo de concentración a

los 60 días y decayendo a los mismos valores de concentración simulados para los 5 cm,

en los 90 cm de profundidad no se registran valores simulados de atrazina.

La Ilustración 10-25 se observa el comportamiento de la curva de concentración simulada

con los parámetros obtenidos de los datos gravimétricos y los obtenidos en el laboratorio,

el cual registra a los 15 días el pico máximo de concentración a los 5 cm de profundidad,

decayendo hasta alcanzar un valor de 0.00056=?/(�� a los 60 días de modelado. Para

los 40 cm de profundidad los valores simulados presentan ascenso en la concentración a

partir del día 18 alcanzando el máximo de concentración de 0.000456=?/(�� a los 60

días. El ajuste de estas curvas frente a los valores obtenidos no es tan bueno dado que el

comportamiento de los datos no obtuvo una buena correlación.

0.00E+00

5.00E-06

1.00E-05

1.50E-05

2.00E-05

2.50E-05

0 50 100

Co

nce

ntr

acio

n (

mg/

cm^3

)

días

Concentración de atrazina datos observados y simulados

obs. 5 cm simulado 5 cmobs 40 cm simulado 40 cm

0.00E+00

2.00E-06

4.00E-06

6.00E-06

8.00E-06

1.00E-05

1.20E-05

1.40E-05

1.60E-05

1.80E-05

2.00E-05

0 50 100

Co

nce

ntr

acio

n (

mg/

cm^3

)

días

Concentración de atrazina datos observados y simulados

simulado 5 cm obs. 5 cmsimulado 40 cm obs 40 cm



122

11 CONCLUSIONES

11.1 INTRODUCCIÓN

El movimiento del agua en el suelo es el principal mecanismo para la transferencia de

contaminantes a las aguas superficiales y subterráneas (Leeds-Harrison, 1995). La física del

agua en el suelo y el movimiento de solutos pueden utilizarse para determinar el

comportamiento de estos materiales. El movimiento de solutos a través de la zona no

saturada, vadosa, es particularmente importante en lo referente a la contaminación

ambiental y agronómica (Costa, 1994).

Para ello y debido a la complejidad del problema y como se expresó en los capítulos

anteriores se hace necesario abordar y resolver distintos aspectos, por un lado el proceso

de infiltración en suelo que requiere de la medición en campo de los procesos de

infiltración frente a eventos de humedecimiento y secado y la determinación de funciones

hidráulicas del suelo y por otro lado el abordaje de las mediciones en campo de los

herbicidas y su posterior modelación matemática. En relación e los tópicos mencionados

podemos decir.

11.2 MEDICIONES DE HUMEDAD EN CAMPO

La solución de la ecuación de Richards implica conocer las funciones hidráulicas del suelo.

Estas funciones dependen de algunos parámetros que necesitan para su calibración de las

propiedades hidráulicas, determinadas por medio de mediciones. Para lograr las

mediciones de las propiedades hidráulicas del suelo uno se enfrenta a numerosas

complicaciones debido a dos factores importantes, la no linealidad de la función de

conductividad / succión y la no linealidad de la función de humedad / succión (Reyna,

2008). Para realizar las mediciones de campo se pueden utilizar distintos tipos de equipos

dentro de estos se encuentran los sensores de capacitancia.

En relación a los sensores de capacitancia se debe indicar que todos los sensores de

capacitancia instalados en suelos, aun con características similares, deben ser calibrados



123

con el objetivo de mejorar su precisión dado la influencia en la medida de otros factores

independientes al contenido de humedad como por ejemplo la variabilidad del pH o la

conductividad eléctrica dentro de la matriz porosa.

Se obtuvieron las curvas específicas de ajuste del proceso de calibración de los sensores

de humedad de la familia ECH2O de Decagon según la profundidad para la cual se

encontraba cada sensor dentro del suelo, los sensores 5-TE y 10-HS se ajustaron con

curvas polinómicas cubicas con coeficientes de determinación R2 de 0.99 y R2 0.96 y para

el sensor EC-5 se ajusto a una lineal con un R2 de 0.99. Mejorando así las obtenidas en el

estudio anteriormente realizado por (Reyna, et al., 2010). Las ecuaciones obtenidas

cuentan con una cantidad significativa de decimales dado la alta variabilidad de los

coeficientes de estas.

Durante el proceso de calibración se presentaron algunos factores los cuales causaron

variabilidad en las mediciones, alguno de ellos fue el traslado de las muestras del campo al

laboratorio, las variaciones de temperatura ambiental dentro del laboratorio y la

histéresis presentada durante los periodos de secado o humedecimiento.

La utilización de muestras inalteradas en la calibración de los sensores de humedad

permitió un mejor ajuste a las condiciones reales del terreno y la obtención de la densidad

aparente para los horizontes del suelo A, AC y C mas sencillamente con valores de 1.48, 1.28K1.25 �:9`. El uso de los sensores de capacitancia permite un registro en continuo de los valores de la

humedad en el suelo, posibilitando una información directa y en tiempo real. Siendo de

gran utilidad para la planificación de sistemas de monitoreo de alertas como es el caso del

Convenio con Aguas Cordobesas para el Monitoreo de humedades en el suelo en

coincidencia con el conducto de Agua Potable al sur de Córdoba (ANEXO D).



124

11.3 RESULTADOS DE LAS MUESTRAS TOMADAS EN CAMPO PARA ANÁLISIS DE

LABORATORIO

La aplicación de la guía para el procedimiento de toma de muestras (Reyna, et al., 2011)

permitió el optimo desarrollo de las campañas de campo para la recolección de las

muestras. Sin embargo, se recomienda la extracción de muestras inalteradas y su

almacenamiento en frio lo más pronto posible para evitar posibles cambios en la

concentración del plaguicida.

Se determino para el lote 20 de la estación experimental INTA Manfredi, el cual se

encuentra bajo labranza de siembra directa, los porcentajes de: materia orgánica (% MO),

carbono orgánico (% CO), nitrógeno total (% Nt) los cuales se clasifican como muy buenos

a 5 cm de profundidad y a partir de los 40 cm estos contenidos baja drásticamente a lo

largo del todo el perfil clasificándolos como malos.

No fue posible determinar el pico de máxima concentración ya que el intervalo de tiempo

entre la muestra primera y segunda fue muy amplio (7 días). Por tal motivo se recomienda

que los primeros días de muestreo después de aplicado el plaguicida sean lo más cercanos

posibles < 3 días y así poder registrar un pico aproximado de la concentración máxima

dentro de cada horizonte.

No se obtuvieron mediciones de concentración del Aceto-cloro para ninguna profundidad,

ni para la concentración de Atrazina a una profundidad de 90 cm en las muestras

analizadas. Una de las causas puede ser el método de laboratorio aplicado dado que el

límite de detección de la prueba es aún muy grande de 0.0019�� de suelo. Sin embargo,

para el día 7 se registró a 40 cm y 90 cm de profundidad un valor de 0.00387 y 0.002

mg/kg de suelo, esto puede ser a causa de trazas presentes en el suelo o generados por

los efectos de macro dispersión.

El contenido de materia orgánica de los horizontes, en especial en el horizonte A, con

mayor contenido de materia orgánica, representan un mayor impedimento para el

transporte de este herbicida.



125

En cuanto a la migración de la Atrazina se puede concluir que resulta fuertemente

adsorbido en los primeros centímetros del suelo y que una posible contaminación en el

acuífero solo podría tener lugar por efectos de macrodispersión (direcciones

preferenciales de flujo, macroporosidad) o por escorrentía.

11.4 RESULTADOS DE LAS MODELACIONES CON HYDRUS

El método de modelación inversa permite determinar los parámetros de las funciones

hidráulicas del suelo según el modelo de Van Gencuchten-Mualem a partir de mediciones

del contenido de agua. Sin embargo, las funciones hidráulicas que se obtienen no siempre

reflejan correctamente el comportamiento del suelo, existiendo una diferencia

importante entre los horizontes a causa del método de medición de humedad utilizado, el

comportamiento del frente de humedecimiento y sus niveles de humedad cercanos a la

saturación.

La utilización de los parámetros más sensibles a la variación del contenido de humedad

tales como ��, cK� permitieron la convergencia de los parámetros en la primera corrida,

alcanzando un valor R2 de 0.945 para los datos obtenidos del contenido de humedad por

el método del sensor de neutrones.

La gran variabilidad que se presenta entre los parámetros hidráulicos del suelo es

generada por las curvas de contenido de humedad utilizadas en su calibración, los

parámetros ajustados con mediciones obtenidas por método gravimétrico presentan una

baja correlación con respecto a los valores simulados y los observados en campo con un

un R2 de 0.87. Mientras que los parámetros obtenidos del modelo de VG- Mualem con los

valores de humedad del sensor de neutrones presentan una buena correlación entre los

datos simulados y los observados del contenido de humedad con un coeficiente de

determinación R2 de 0.95.

La utilización de los contenidos de humedad y de las funciones de edo-trasferencia

permitió la obtención de los parámetros de ajuste del modelo con mucha más eficiencia,

permitiendo efectuar las simulaciones con un menor esfuerzo, aunque para mejorar su



126

precisión se recomienda la obtención de curvas de humedad succión y de la conductividad

hidráulica saturada en laboratorio.

Las tasas de percolación profunda de agua fueron subestimadas con los parámetros

obtenidos del método gravimétrico; mientras que para los parámetros obtenidos por el

sensor de neutrones presentan una muy buena correlación. Sin embargo, el modelo

aplicado subestima los contenidos de humedad presentes en el horizonte superior con

ambos tipos de medición de humedad.

Se muestra que para profundidades mayores de 0,90m frente a eventos de

precipitaciones normales (de media correspondiente a la zona) el frente de

humedecimiento no genera una recarga de la freática directa generada por la

precipitación y ni los contaminantes.

La modelación inversa de los parámetros de la atrazina se realizó primero para el primer

horizonte, ya que cuando se consideraban los tres horizontes juntos el modelo no

convergía a ningún resultado, después se consideraron los dos primeros horizontes con el

horizonte superior optimizado el cual no mejoro significativamente el valor de la

correlación obtenida de la primera corrida.

El método de modelación inversa aplicado para la obtención de los parámetros de la

atrazina presenta cambios significativos de acuerdo a los parámetros de suelos utilizados;

los valores de Kd estimados 0.41 para los parámetros hidráulicos ajustados con

humedades del sensor de neutrones y 0.16 para los parámetros hidráulicos ajustados con

humedades del método gravimétrico, se encuentran dentro de los valores de referencia

para el horizonte superior, prediciendo las concentraciones de la atrazina razonablemente

bien precisando así un método fácil y rápido para obtener algunos valores de importancia

en el transporte de contaminantes.

De acuerdo con los resultados obtenidos, la simulación numérica resulta una herramienta

válida para el estudio del movimiento del flujo y el transporte de sustancias

contaminantes en la ZNS. En este sentido, el modelado ha permitido interpretar los



127

resultados experimentales y establecer algunos comportamientos con respecto al flujo y

el transporte de contaminantes para la columna de suelo simulada.

No se registró ningún pico de concentración similar a los observados dentro de las

modelaciones, por lo que considera que la mayor parte del flujo de agua que produjo el

transporte de atrazina haya sido por los macroporos del suelo o sean de presencia de

trazas de los cultivos anteriores. Si bien (Bedmar, et al., 2004), trabajando en columnas

con un suelo similar disturbado, encontraron que había un retardo superior a 4 volúmenes

de poros en la aparición del pico de concentración, estos datos muestran que la presencia

de macroporos puede incrementar las pérdidas de atrazina hacia el acuífero

La limitada disponibilidad de datos obtenidos de estudios a campo y de fácil acceso

representa la principal limitante para evaluar la validez de estos modelos, a fin de que

puedan utilizarse con confianza para los propósitos para los que fueron creados.

A fin de minimizar el daño ambiental que produce la aplicación de los herbicidas, se puede

realizar la aplicación de modelos de simulación como el HYDRUS como una herramienta

para la predicción teniendo en cuenta, estrictamente, las condiciones de las plantas, el

suelo y el ambiente, así como las dosis y los procedimientos de uso adecuados.

El uso de sondas de capacitancia (FDR) y el monitoreo en tiempo real del clima también es

útil para la programación eficiente del riego. Siendo así herramientas indispensables en la

gestión y desarrollo sustentable de los ecosistemas agrícolas, permitiendo integrar la

productividad y la conservación de los recursos hídricos y edáficos.

Finalmente y en relación a los mismos es importante destacar que en Argentina no existen

valores de referencia sobre las concentraciones de pesticidas ni las profundidades que

implica la contaminación del suelo, ni en los metabolitos o productos químicos o

microbianos de degradación. Por consiguiente, los valores aquí obtenidos se pueden

considerar como un punto de partida previo a condiciones similares de terreno.



128

12 BIBLIOGRAFIA



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13-I

13 ANEXO A

13.1 CALIBRACIÓN DE LOS SENSORES EC-5, 5-TE Y 10-HS

En el loteo 20 de la estación experimental INTA, se realizaron perforaciones a por medio

de un barreno a profundidades de 0.10, 0.40 y 0.90 m obteniendo dos muestras

inalteradas de cada una de estas profundidades las cuales fueron almacenadas

debidamente para que no sufrieran ningún tipo de cambio en su estructura mientras se

trasladaban (Ilustración 13-1)

Ilustración 13-1 Perforación y extracción de la muestra de suelo

En el laboratorio se pesaron cada una de las muestras por medio de una balanza con una

de precisión de 0.5 g y se ubicaron los sensores dentro de las muestras pertenecientes a

las profundidades seleccionadas, el sensor 5-TE a 0.10 m, el sensor 10-HS a 0.40m y el

sensor EC-5 a 0.90 m (Ilustración 13-2).



13-II

Ilustración 13-2 Sensores 5-TE, 10-HS y EC-5

Ilustración 13-3 Izq: Balanza de precisión. Der: Muestras de suelo con los sensores instalados y las muestras testigos

Seguidamente fue ubicado un recipiente de mayor tamaño lleno de agua debajo de cada

muestra, permitiendo así el humedecimiento del suelo por el efecto de capilaridad. La

exposición en el recipiente con agua fue de aproximadamente de un día o hasta que el

nivel del agua del recipiente se haya estabilizado (Ilustración 13-4).



13-III

Ilustración 13-4 Izq: recipiente utilizado para saturar el suelo. Der: Periodo de saturación de las muestras de suelo

Se procedió luego a tomar los pesos durante varios días con la balanza de precisión y

cuando se alcanzo una humedad residual lo bastante baja para el suelo se descargaron los

datos de los sensores por medio de un datalogger Em50 y seguidamente se procedió a la

extracción de las muestras para ser secadas en un horno a 105° Celsius durante 24 horas.

Ilustración 13-5 Izq. Datalogger Em50. Der. Horno eléctrico

Con los valores obtenidos de los pesos en estado húmedo y seco se obtuvieron los

distintos calores de humedad y estos se relacionaron con los RAW registrados para cada

fecha de medición en cada uno de los sensores (Tabla 13-1).



13-IV

5TE Humedad

Manfredi

Contenido de

humedad del

suelo

10HS Humedad

Manfredi

Contenido de

humedad del

suelo

EC-5 Humedad

Manfredi

Contenido de

humedad del

suelo

Raw θ (cm3/cm

3) Raw θ (cm

3/cm

3) Raw θ (cm

3/cm

3)

1240 0,38491011 1360 0,40951791 1016 0,41625139

1220 0,36564828 1294 0,36819884 988 0,3711983

890 0,24622494 1216 0,25045479 0,24387434

820 0,22983606 1209 0,23108073 825 0,21645072

818 0,22298016 1051 0,19680121 835 0,20306538

798 0,22036838 1052 0,19159807 820 0,19686242

0,21547131 1043 0,18731313 834 0,18608886

803 0,20567716 1061 0,18057965 812 0,16911233

768 0,2017595 1031 0,15976708 803 0,16160348

719 0,19914772 1024 0,1539518 798 0,15637993

721 0,19490359 1005 0,14599405 796 0,14887109

680 0,18053884 982 0,13191496 772 0,12471218

680 0,17629471 820 0,07685918 768 0,11785628

696 0,17074469 820 0,07214837 764 0,10969448

670 0,16029759 820 0,07176094 743 0,09500326

287 0,09838839 827 0,08821314

287 0,09235802 827 0,08389283

287 0,09186206 827 0,07787378

292 0,11292273

292 0,10739225

292 0,09968719

Tabla 13-1 Datos obtenidos para la calibración de los sensores, mediciones de Raw vs Contenido de Humedad volumétrica



14-V

14 ANEXO B

14.1 DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE ATRAZINA Y ACETO-CLORO

Durante el desarrollo del experimento se hicieron 6 muestreos aplicando la técnica de tipo

simple aleatorio sistemático a las profundidades de 5, a los 40 y a los 90 cm con barreno

manual (IRAM 29481-1, 2 y 4 y ASTM Standards on Environmental Sampling, 1995).

Las muestras se tomaron previo a la aplicación de la Atrazina y Acetoclor (concentración

de 2 lts/Ha) a los 7, 15, 30, 60, 90 días de dicha aplicación.

Ilustración 13-14-1 Lote 20 (Coordenadas 31º 52` 20`` S y 63º 44` 38`` O) con una área de 25 ha de superficie. Provincia de Córdoba-

Argentina seccional INTA Manfredi;

En laboratorio se determinaron atrazina y acetocloro por medio de la técnica de high

performance liquid chromatography combined with tandem mass spectrometry

(HPLC/MS/MS) using isotope dilution and internal standard quantitation techniques. Este

método ha sido desarrollado para su uso con matrices acuosas, sólidas, y de biosólidos.

Los límites de detección para los suelos analizados fueron de 0.01��

�� los resultados se

presentan en Tabla 14-1



14-VI

Azatrina por Nivel y por Día

Código PUNTO Nivel (cm) Día Parámetro

Concentración

(mg/kg) mg/cm3

M2N1A M2 5 0 Atrazina 0,003 0,00000399

M2N2A M2 40 0 Atrazina 0,001 0,00000129

M2N3A M2 90 0 Atrazina 0,001 0,00000119

M2N1B M2 5 7 Atrazina 0,014 0,00001862

M2N2B M2 40 7 Atrazina 0,003 0,00000387

M2N3B M2 90 7 Atrazina 0,002 0,00000238

M2N1C M2 5 15 Atrazina 0,011 0,00001463

M2N2C M2 40 15 Atrazina 0,002 0,00000258

M2N3C M2 90 15 Atrazina 0,002 0,00000238

M2N1D M2 5 30 Atrazina 0,011 0,00001463

M2N2D M2 40 30 Atrazina 0,002 0,00000258

M2N3D M2 90 30 Atrazina 0,001 0,00000119

M2N1E M2 5 60 Atrazina 0,006 0,00000798

M2N2E M2 40 60 Atrazina 0,002 0,00000258

M2N3E M2 90 60 Atrazina 0,001 0,00000119

M2N1F M2 5 90 Atrazina 0,004 0,00000532

M2N2F M2 40 90 Atrazina 0,001 0,00000129

M2N3F M2 90 90 Atrazina 0,001 0,00000119

Tabla 14-1 Resultados obtenidos en laboratorio de la concentración de atrazina



14-VII

El suelo del lote sobre el que se realizaron los ensayos fue caracterizado en sus

propiedades físicas y químicas en laboratorio, Fósforo Extractable (método Bray y Kurtz),

Nitrógeno de Nitratos (método Fenildisulfónico), Nitrógeno Total (método Kjieldahl),

Materia Orgánica (método Walkley & Black), Cond. Eléctrica (método relación suelo/agua:

2,5 x 5) presentados en laTabla 14-2

Profundidad %CO %MO %Nt Pe pH CE N-NO3-

cm g/100 g suelo g/100 g suelo g/100 g suelo ppm dS/m ppm

0-20 2,11 3,64 0,20 15 7,22 2,25 6,6

40-50 0,42 0,72 0,06 3 7,63 2,55 3,3

>90 0,28 0,47 0,05 2 8,25 1,55 2,2

Referencias:

Cond Eléctrica (CE)

Materia Orgánica (MO%)

Nitrógeno Total (Nt total %)

Nitrógeno de Nitratos (N-NO3-

Fósforo Extractable (Pe)

Tabla 14-2 se caracterización del suelo correspondiente al sitio del ensayo



15-VIII

15 ANEXO C

15.1 SISTEMA DE SEGUIMIENTO DE LA HUMEDAD COMO UN CONTROL DE ALERTAS

Seguimiento de la humedad para verificar el estado del conducto de alimentación a la

ciudad de Córdoba en el country Cañuelas. El loteo comprende 352 lotes totalizando una

superficie urbanizada de 54 ha 852,66 m2 y los espacios verdes ocupan una superficie de

20 has. 620,32 m2.

El loteo es atravesado por una cañería de acero de diámetro 1600 mm, operado por la

empresa Aguas Cordobesas S.A., el cual suministra agua potable a más de 400.000

habitantes de la Ciudad de Córdoba. La profundidad del invertido del conducto varía

desde los 5,15 metros hasta los 6,25 m en los puntos de la traza que coinciden con los

límites del loteo.

La presencia de este caño fue considerada entre las premisas de diseño del trazado

urbanístico, destinándose a espacio verde y uso recreativo una franja de 50 m de ancho

promedio. Sobre la traza del caño, se emplaza el campo de golf de 9 hoyos que conforma

parte de la superficie de espacios verdes de la urbanización, ubicándose sobre la traza del

caño las zonas donde se ubican los hoyos N°3 y N°4.

La empresa Desarrollos Urbanos S.A. generó un convenio con Aguas Cordobesas donde

acordaron el estudio de una alternativa para el manejo de las lagunas compatible ante un

desperfecto contemplando un sistema de alerta temprana en casos de avería para la

pronta acción indispensable para efectuar la reparación del conducto en esos casos y el

seguimiento del funcionamiento de las lagunas diseñadas dentro del planteo urbanístico

las cuales pudieran sufrir alguna avería en su impermeabilización. Además en ese

convenio se acordó que primero Edisur S.A. y luego Desarrollos Urbanos S.A. generaran un

convenio con el Centro de Vinculación de la Escuela de Cuarto Nivel donde se solicitaba a

los docentes y estudiantes de las Cátedras de Hidráulica Subterránea de la Maestría en

Ciencias de la Ingeniería – Mención en Recursos Hídricos y de la Especialización en

Hidráulica de la Facultad de Ciencia Exactas, Físicas y Naturales el monitoreo e informes



15-IX

mensuales de un sistema de seguimiento de las humedades en el suelo en el sector de

emplazamiento de las lagunas artificiales en coincidencia con el conducto de 1600mm.

Con el objetivo de permitir una alerta temprana en caso de presentarse alguna rotura del

caño o un mal funcionamiento de las lagunas ejecutadas en zonas aledañas a la traza se

realizó la instalación del sistema de monitoreo de la zona afectada.

15.2 FACTORES A MONITOREAR

Para determinar si las variaciones que se producen en el suelo son producto de alguna

falla de las estructuras (conducto o lagunas artificiales) es necesario conocer además de

las humedades del suelo las variaciones de humedad que ocurren en los alrededores de la

zona donde no se encuentran las obras y que son producto de las variaciones climáticas y

de eventuales aplicaciones de riego.

En relación a lo expuesto no sólo es necesario monitorear la humedad en la zona de

implantación de las obras sino que es necesario monitorear otros parámetros como se

menciona a continuación.

15.2.1 Humedad

La principal variable a monitorear es la humedad del suelo, lo que permitirá realizar una

detección temprana de la existencia de pérdidas de agua tanto de la laguna artificial como

del conducto de 1600mm.

Ésta detección se podrá realizar antes de que los efectos del humedecimiento del suelo

alrededor del punto de fuga provoque efectos en la superficie del terreno o en las

construcciones aledañas.

15.2.2 Nivel freático

Los movimientos del nivel freático (tanto ascensos como descensos) son más funciones

regionales que locales. Para descartar que el cambio en la humedad del suelo no se haya



15-X

producido por algún cambio estacional y regional, es necesario monitorear los niveles

freáticos de la zona.

Los instrumentos para realizar éste tipo de medición son los piezómetros. Para la

obtención en continuo del nivel piezométrico, existen diferentes propuestas tecnológicas

en función del sensor utilizado y del principio físico en el que se basan.

En la elección de este tipo de instrumentación es necesario tener en cuenta varios

factores como es el elemento de medida a utilizar, el tipo de alimentación que requiere el

sistema y el método de captura de datos que se vaya a emplear.

15.2.3 Precipitaciones y temperatura ambiente

Otro motivo que puede generar una variación de la humedad del suelo es un frente de

humedecimiento provocado por la lluvia caída sobre la superficie. Con el fin de descartar

este origen se propone instalar un pluviógrafo digital que monitoree precipitaciones y un

sensor de temperatura.

15.2.4 Registradores (dataloggers)

Los registradores de datos automáticos o datalogger consisten en una memoria de estado

sólido que almacena señales eléctricas interpretándolas y transformándolas en unidades

útiles mediante algoritmos matemáticos aplicados con ayuda de un microprocesador.

Existen grandes unidades que permiten el registro de muchos tipos de medidas gracias a

sus múltiples entradas, cada una de ellas programables de forma independiente.

Son equipos de gran capacidad de memoria (más de 250.000 medidas) que además

permiten la transmisión de información bien mediante tarjetas de memoria magnéticas o

bien mediante distintos tipos de interfaces que permiten su conexión a un ordenador

portátil u otra unidad de lectura.

Para aguas subterráneas se han desarrollado equipos más compactos y adaptados para su

colocación en el interior de los pozos. Estos consisten también en una memoria, un



15-XI

microprocesador y una batería que alimenta tanto a los sensores como al

microprocesador, proporcionando una completa autonomía al equipo. En su diseño se

incluyen conexiones para la transmisión de datos.

15.3 UNIDADES DE MONITOREO

La obra consistió de dos sistemas de monitoreo de humedad en las lagunas de la cancha

de golf, un equipo en los bordes de la laguna contigua al hoyo 3 y de la misma manera en

el hoyo 4 (Ilustración 15-1). Estos permiten monitorear los sectores aledaños al equipo y

dar alerta por condiciones anormales de humedad a las distintas profundidades a la que

los sensores fueron instalados.

Una tercera unidad de monitoreo se encuentra ubicada en las zonas alejadas de la traza

de la cañería para la cual monitorea las variaciones estacionales de la humedad en los

suelos sin ningún tipo de afectación antrópica. En esta unidad también se incorporó un

sensor de temperatura ambiental y un pluviógrafo.

La cuarta unidad de monitoreo consta de un sensor piezómetrico piezo-resistivo dentro

del loteo, pero fuera de la zona de las lagunas, donde se realizó un pozo encamisado de 25

metros de profundidad al cual el sensor fue insertado.

Igualmente se realizó un replanteo de 10 puntos considerados sobre la traza del conducto

donde se realizaron muestreos de suelo alterados para la medición del contenido de

humedad en laboratorio y tener una humedad de referencia neutral sobre toda la traza a

un metro de profundidad. Los puntos, de donde se practicaron las extracciones, se

determinaron utilizando una cinta métrica y un nivel topográfico. Una vez replanteados

dichos puntos, se relevaron con un GPS para identificar la ubicación en forma

georreferenciada.

La Ilustración 15-2 presenta una planimetría general de la urbanización con la indicación

de las unidades de monitoreo existentes y los puntos de los sondeos a efectuados.



15-I

Ilustración 15-1 unidades de monitoreo de humedades en

los hoyos 3 y 4

Ilustración 15-2 Ubicación de los sistemas de monitoreo y

replanteo de los puntos de extracción de suelo sobre la traza

del caño

La distribución espacial de los sensores se previó de la siguiente manera: para cada laguna

se realizaron perforaciones en los cuales se colocarán tres sensores: el primero por debajo

del fondo de la laguna, otro encima del caño y un tercero a media altura entre ambos.

La ubicación y profundidad de cada tipo de sensor se encuentran en el siguiente Tabla

15-1:

Profundidad de los sensores en metros para las tres unidades de medición.

Unidad Sensor EC-5 Sensor 10 HS Sensor ET-5

1 2,70 1 0.30

2 1,80 1 0.30

3 2 1 0.30

Tabla 15-1 Profundidad de instalación de los sensores para las tres unidades de medición.

15.4 TAREAS DE INSTALACIÓN REALIZADAS

En el loteo Cañuelas, se instalaron 3 unidades de monitoreo con tres sensores de

humedad a diferentes profundidades.

UNIDAD N°1

UNIDAD N°2

UNIDAD N°3

UNIDAD N°4 UNIDAD N°1:

UNIDAD N°2



15-II

La Unidad N°1 quedó emplazada coincidiendo con la traza de la cañería de aguas

cordobesas que atraviesa el loteo, sobre el mismo se encuentra la cancha de Golf. Punto

de GPS latitud 31°28'32,34"S, longitud 64°9'23,72"O. La misma se replanteó utilizando un

nivel y una mira como herramienta topográfica, y tomando como puntos de referencias

las cámaras de limpieza y las de válvulas de aire.

Ilustración 15-3 Izq: Nivel utilizado para alinear la cañería. Der: Cámara de limpieza de cañería de Aguas Cordobesas

Seguidamente se excavó hasta encontrar el caño de aguas cordobesas, luego se

incorporaron los sensores de humedad, uno en el pozo de exploración por encima del

extradós del caño sobre una tapada de 60 cm. de suelo. El pozo se excavó unos 3,30 m de

profundidad desde el nivel del suelo hasta el extradós del caño, luego volcó parte del

suelo extraído y se lo compactó (Ilustración 15-4).

Ilustración 15-4 pozo de sondeo, ejecutado con pala viscachera



15-III

El cable de los sensores fue protegido con un caño corrugado de color naranja para alertar

si se hiciera una excavación contigua por otro motivo y proteger el cable de posibles

ataques de animales o insectos de subsuelo.

Contiguo al pozo de exploración se realizó otro, ubicado a una profundidad con respecto

al terreno natural de 1,00 m, en el que se colocó otro sensor de humedad (Ilustración

15-5).

Ilustración 15-5 pozo ejecutado a 1,00 m de profundidad e instalación del sensor de humedad

Y finalmente, contiguo a estos dos se ejecutó otro pequeño pozo, para instalar el último

sensor de los tres la profundidad en este caso fue de 0,30 m, tal como estaba estipulado

de anteriormente.

En la parte superior del pozo, se instaló una cámara donde se aloja el datalogger que

almacena los datos de los tres sensores instalados ()

Ilustración 15-6 cámara de alojamiento del datalogger



15-IV

La Unidad N°2, con similares características a la unidad N°1 se instaló en las orillas de la

otra laguna de la cancha de golf. La del lado sur. En esta se ubicó el extradós del caño de

aguas cordobesas y se instaló el sensor EC-5 a una profundidad de 1,80 m. Punto de GPS

latitud 31°28’35,10’’ S, longitud 64°09’22.80’’ O.

Ilustración 15-7 Izq: ubicación del equipo. Der: profundidad a la que se encontró el extradós del caño

El segundo sensor (10-HS) se instaló a una profundidad de 1,00 m y el tercero a una de

0,30 m. también se instaló una cámara para alojar el datalogger tal como se presenta en la

(Ilustración 15-8).

Ilustración 15-8 instalación de la cámara donde se alojó el datalogger

El tercer equipo se instaló a 300 m del límite sur del loteo, en el lugar se instaló la unidad

N°3, que a diferencia de las otras esta no debe estar sobre la traza de la cañería, su

objetivo es censar la humedad del suelo en general a tres profundidades respecto al nivel

del suelo. Además en este punto de muestreo se agregaron dos sensores superficiales,

uno de temperatura y un pluviógrafo. Las coordenadas del punto son latitud 31°28’44,20’’

S, longitud 64°09’21.10’’ O.



15-V

Ilustración 15-9 ubicación de la unidad N°3 y excavación

Ilustración 15-10 Izq: sensor EC-5 ubicado a 2,00 m de profundidad. Der: sensor 10-HS ubicado a 1 m de profundidad

En la Ilustración 15-11 se presenta la instalación completa del datalogger y de los sensores

de precipitación y temperatura, este último ubicado dentro de una garita especial para

que no se afecten los registros de temperatura, estos se ubicaron sobre el poste de

alumbrado.

Ilustración 15-11 Izq: instalación del datalogger. Der: instalación de los sensores de temperatura y pluviógrafo

Para la instalación de la unidad N° 4 primero se realizó la excavación del pozo para la

ubicación de la bomba centrifuga que provee de agua al elemento de perforación. El

mismo consta de una broca perforadora con un diámetro aproximado superior a los 63



15-VI

mm, barrenos con una longitud de 2 metros y una unión entre el barreno y el eje del

motor (Ilustración 15-12 y Ilustración 15-13).

Ilustración 15-12 Izq: Pozo de agua para extracción por la bomba Der: Estructura con motor y el elemento de perforación.

Ilustración 15-13 Izq: Barrenos Centro: broca perforadora utilizada en la perforación del pozo. Der: Sistema de bombeo centrífugo.

Seguido se procedió a la instalación de la estructura de perforación. La misma consta de

un motor con caja reductora para el accionamiento del cabezal de perforación. Con este

conjunto se perforó hasta alcanzar una profundidad máxima de 25 metros, luego se

encamisó con un tubo en PVC de 63 mm de diámetro tal como se presenta en la

Ilustración 15-14.

El entubado posee el tramo inferior ranurado para permitir el paso del agua de la zona

que esté bajo el nivel freático. En la superficie, boca del pozo, se construyó una base de

ladrillo común que contiene un tubo en metálico de 63 mm de diámetro con una longitud

de aproximada de 80 cm.



15-VII

Ilustración 15-14 Izq: Moto reductora Centro: Tubería de PVC de 3 m Der: Tubería de PVC instalada con relleno de arena grueso

Una vez realizado el pozo, se introdujo una cinta freatimétrica para determinar la

profundidad a la cual se encuentra el nivel de agua y así poder calibrar el sensor

piezométrico; el nivel de agua obtenido fue de 21,80 metros medidos desde el borde del

caño metálico. Una vez realizadas estas tareas se introdujo el sensor piezometrico hasta

una profundidad de 22 metros obteniendo una presión inicial de 998,2 cm de columna de

agua (cmH2O) (Ilustración 15-15).

Ilustración 15-15 Base de ladrillo sobre el pozo y calibración del nivel de agua por medio de una cinta freátimetrica



16-VIII

16 ANEXO D

16.1 SOFTWARE EXISTENTE PARA INFILTRACIÓN Y FUNCIONES HIDRÁULICAS DE SUELOS

Se han desarrollado numerosas rutinas numéricas para dar solución a la ecuación de

Richards. No obstante, esta ecuación es de difícil resolución debido a su naturaleza no

lineal, por lo que en la actualidad se siguen investigando alternativas de solución. Por otro

lado existen diversos modelos que permiten predecir el movimiento del agua y los

químicos en y a través de la zona no-saturada del suelo; estos modelos numéricos

necesitan de la estimación de numerosos parámetros. Esto es particularmente cierto

cuando se analizan las propiedades hidráulicas de los suelos no-saturados, propiedades

que dependen de la velocidad a la cual el agua y los químicos disueltos se mueven dentro

del suelo(Reyna, 2008).

A continuación se presenta una breve lista de software que permite abordar el problema

de la infiltración desde distintos puntos de vista.

16.1.1 UNSATCHEM-2D

El programa fue escrito por J. Simunek y D. Suárez en 1993. un modelo de elementos

finitos, para la simulación de movimiento de agua, calor, CO2, y el transporte de solutos

multicomponentes en un medio variablemente saturado bidimensional. UNSATCHEM-2D

puede manejar dominios de flujo delineados por fronteras irregulares. La región de flujo

puede estar compuesta por suelos no uniformes que tengan un grado arbitrario de

anisotropía local. Las variables importantes del sistema químico en UNSATCHEM-2D son

Ca, Mg, Na, K, SO4, Cl, NO3, H4SiO4, alcalinidad y CO2. El modelo da cuenta de diversas

reacciones químicas de equilibrio entre estos componentes, como el intercambio

compledo de cationes, precipitación y disolución.

El módulo UNSATCHEM se ha implementado tanto en una y dos dimensiones en los

módulos de cálculo de los paquetes de software HYDRUS-1D e HYDRUS (2D/3D),

respectivamente. Las ecuaciones que gobiernan el flujo y el transporte se resuelven

numéricamente utilizando el esquema de elementos finitos lineales del tipo de Galerkin.



16-IX

16.1.2 CHAIN-2D

CHAIN 2-D escrito en 1994 por J. Simunek y M. Th. Van Genuchten permite simular el flujo

de agua bidimensional en un medio variablemente saturado, el movimiento de calor, y el

transporte de solutos que involucran reacciones de decaimiento secuenciales de primer

orden. El programa resuelve numéricamente la ecuación de Richards para el flujo de agua

en un medio saturado / no saturado y la ecuación de convección / dispersión para el

transporte de calor y solutos. La ecuación del flujo del agua incorpora un término

sumidero para considerar el agua tomada por las raíces de las plantas. Las ecuaciones de

convección / dispersión que gobiernan el transporte de solutos están escritas en una

forma muy general incluyendo provisiones para las reacciones de no equilibrio no lineales

entre las fases sólida y líquida, y la reacción de equilibrio entre las fases líquida y gaseosa.

Por lo tanto, tanto las sustancias adsorbidas como los solutos volátiles tales como los

pesticidas pueden ser considerados. Las ecuaciones de transporte de solutos incorporan

los efectos de la producción de orden cero, de la degradación de primer orden

independiente de otros solutos, y la producción y decaimiento de primer orden que

proveen del acoplamiento requerido entre los solutos involucrados y las reacciones

secuenciales de primer orden. Los modelos de transporte también tienen en cuenta la

convección y dispersión en la fase líquida, como también la difusión en la fase gaseosa,

permitiendo así simular el transporte de solutos simultáneamente en las fases líquida y

gaseosa. CHAIN-2D considera hasta 6 solutos los cuales pueden ser acoplados en una

cadena uni-direccional o pueden moverse de manera independiente (Simunek & van

Genuchten, 1994).

CHAIN-2D puede utilizarse para analizar el movimiento del agua y de solutos en el medio

poroso no saturado, parcialmente saturado o totalmente saturado. El programa puede

manejar dominios de flujo delimitados por fronteras irregulares. La región de flujo puede

estar compuesta por suelos no uniformes teniendo cierto grado de anisotropía local. El

flujo y el transporte pueden ocurrir en un plano vertical, horizontal o en una región

tridimensional que exhiba simetría radial respecto del eje vertical. (Simunek & van

Genuchten, 1994).



16-X

Las ecuaciones que gobiernan el flujo y el transporte son resueltas numéricamente

utilizando el esquema de elementos finitos de Galerkin. En el programa Chain-2D, las

ecuaciones de transporte de solutos incorporan los efectos de la producción de orden

cero, de la degradación de primer orden independiente de otros solutos, y la producción y

decaimiento de primer ornen que proveen del acoplamiento requerido entre los solutos

involucrados y las reacciones secuenciales de primer orden. Los modelos de transporte

también tienen en cuenta la convección y dispersión en la fase líquida, como también la

difusión en la fase gaseosa, permitiendo así simular el transporte de solutos

simultáneamente en las fases líquida y gaseosa. CHAIN-2D considera hasta 6 solutos los

cuales pueden ser acoplados en una cadena unidireccional o pueden moverse de manera

independiente. (Simunek & van Genuchten, 1994)

16.1.3 VS2DI versión 1.3

Permite simular el flujo y transporte en medios porosos variablemente en una y dos

dimensiones usando coordenadas cartesianas o radiales. Es una excelente herramienta

para la prueba de hipótesis (por ejemplo, para observar la influencia de la forma, la

posición y las características hidráulicas de una capa de baja permeabilidad que pueda

tener en el movimiento de un contaminante que se infiltra desde la superficie del suelo).

También es muy útil para la enseñanza de los fundamentos de la física del suelo y el

transporte contaminante al subsuelo. Las aplicaciones típicas de los programas son para

los estudios de recarga de las aguas subterráneas, aguas superficiales, aguas subterráneas

intercambio y transporte de contaminantes desde los sitios de disposición de residuos. Un

extenso manual en línea de ayuda proporciona toda la información necesaria para

ejecutar los programas.

Este software consiste de tres componentes: VS2DTI, que permite simular flujo y

transporte de solutos, VS2DHI para simular flujos y conducción de calor y, VS2POST, que

es un posprocesador para visualizar los resultados de las simulaciones. Los programas

originales VS2DT y VS2DH pertenecen al U.S. Geological Survey.



16-XI

VS2DHI y VS2DTI permite de manera fácil cambiar las condiciones de borde,

propiedades hidráulicas y de transporte, espaciamiento de la grilla, etc. El modelo VS2DT

es un modelo de diferencias finitas que resuelve la ecuación de Richards para el flujo y la

ecuación de advección-dispersión para el transporte de solutos. Las propiedades

hidráulicas de los suelos pueden ser representadas a través de los modelos de van

Genuchten (1980), Brooks y Corey (1964), Haverkamp y otros (1977).(Reyna, 2008).

16.1.4 CHEMFLO 2000 versión 2005.10.13

CHEMFLO-2000 es una herramienta basada en Java diseñada para mejorar la comprensión

de los procesos de flujo y transporte. CHEMFLO-2000 fue escrito principalmente como una

herramienta educativa y, como consecuencia, es altamente interactivo y orientada a

gráficos orientados. CHEMFLO-2000 permite a sus usuarios definir el moviemineto del

agua y los sistemas químicos. Entonces, el programa resuelve los modelos matemáticos de

estos sistemas y muestra los resultados gráficamente.

El movimiento del agua y transporte de productos químicos se modelan mediante las

ecuaciones de Richards y de dispersión - convección, respectivamente. Estas ecuaciones

se resuelven numéricamente mediante el método de diferencias finitas.

CHEMFLO-2000 es una actualización de la versión 1.3 CHEMFLO que fue lanzado en 1989.

Además de las funciones de la versión anterior, se han añadido una serie de nuevas

funciones y características tales como el análisis de sensibilidad en gráficos y una interfaz

interactiva en Java para facilitar las simulaciones de flujo de agua y transporte de

productos químicos. Las nuevas características de CHEMFLO 2000 incluyen:

• Interfaz gráfica de usuario

• Gráficos mejorados

• Capacidad para realizar análisis de sensibilidad visual

• Mejora de la capacidad de generación de informe

• Capacidad para simular el flujo en el suelo en capas



16-XII

• Mejora de los métodos numéricos

Características retenidas a la versión anterior son:

• Un enfoque en el uso interactivo como herramienta educativa

• Apoyo a la falta de uniformidad condiciones iniciales

• Apoyo a las condiciones de contorno que cambian con el tiempo

• Soporte para una variedad de modelos populares para describir las propiedades

del suelo

• Capacidad para definir y almacenar las propiedades del suelo para uso futuro

Este software es de fácil uso, todos los parámetros para la aplicación del programa

podrían ser introducidos a través de una interfaz gráfica interactiva. Los usuarios

únicamente necesitan saber la terminología técnica y comprender las bases matemáticas

del modelo y el enfoque numérico(EPA, 2012).

16.1.5 VLEACH

VLEACH version 2.2c se trata de un programa de lixiviación en diferencias finitas

unidimensional en la zona vadosa. El modelo fue desarrollado por la Agencia de

Protección Ambiental de los EEUU Oficina de Investigación y Desarrollo - Laboratorio de

Investigación Ambiental Robert S. Kerr - Centro de Modelación Subsuperficial por

Varadhan Ravi y Jeffrey A. Johnson de la Corporación Dynamac.

VLEACH sirve para la estimación del impacto debido a la movilización y a la migración de

un contaminante orgánico adsorbido localizado en la zona no saturada. El programa

calcula la distribución de equilibrio de la masa de contaminante entre las fases líquida,

sólida y gaseosa. En una ejecución individual, VLEACH puede simular la lixiviación en un

número de polígonos distintos, que pueden diferir en términos de las propiedades del

suelo, tasas de recarga, la profundidad de agua, o condiciones iniciales.



16-XIII

Esta versión de VLEACH (versión 2.2c) se ha modificado desde la versión EPA:

1. El archivo de entrada es más fácil de usar

2. El programa acepta hasta 100.000 células modelo. Los pasos de tiempo pueden ser

tan pequeños como 0,0001 años con hasta 500 resultados de tiempo.

3. Un nuevo archivo de salida del perfil transitorio se crea para permitir en los

programas de hojas de cálculo como Microsoft Excel , o Corel Quattro Pro crear los

gráficos de las trazas

4. Esta versión ha sido compilada para Windows XP (abril de 2006)(California, 2012)

16.1.6 SUTRASUITE

SUTRA simula flujo saturado y / o no saturado, el flujo del agua subterránea con una

densidad constante o variable y, o bien de transporte soluto reactivo simple la

transferencia de calor. Las simulaciones pueden ser de dos dimensiones o completamente

tridimensional. Las soluciones pueden ser tanto en estado estacionario o en estado

transitorio. Las características principales y las limitaciones de SUTRA se resumen a

continuación:

• FÍSICA

Flujo de agua subterránea

o saturados / no saturados

o densidad constante o densidad variable

o por el usuario o funciones de flujo no saturado programables

Transporte

o un simple soluto o energía térmica



16-XIV

o decaimiento de cero y primer orden en la producción de soluto;

decaimiento de la producción de energía de orden cero

o absorción lineal, lineal de Freundlich o de Langmuir

• GEOMETRÍA

Modelos Bidimensionales (2D)

o Coordenadas cartesianas o

o coordenadas radiales y / o cilíndricas

Modelos Tridimensionales (3D)

o Coordenadas cartesianas

o totalmente en 3D

• MÉTODOS NUMÉRICOS

Discretización

o híbrido-Galerkin de elementos finitos y el método integrado de diferencias

finitas

o cuadrilátero (2D) o generalizadas hexaédricos (3D) de elementos finitos

o diferencias finitas totalmente implícito de diferencias finitas

Problemas no lineales

o Densidad variable y / o insaturados problemas de flujo son no lineales

o Iteración Picard disponible para resolver las no linealidades

Resolver ecuaciones matriciales

o Eliminación de Gauss (directo)



16-XV

o preacondicionada CG (iterativo: sólo para la ecuación de flujo sin

ponderación aguas arriba)

o GMRES precondicionados (iterativo)

o ORTHOMIN preacondicionada (iterativo)

16.1.7 TOUGH

El TOUGH ("Transporte Of Unsaturated Groundwater y Heat") es un software con

modelos numéricos multi-dimensionales para la simulación del transporte de agua, vapor,

gas no condensable, y calor en medios porosos y fracturados.

Tough esta compuestos por siete diferentes módulos que se enfocan en la solución de

diferentes problemas entre estos están:

� TOUGH2: es el simulador de base para el flujo multifásico no isotermo en medios

porosos fracturados. Aunque está diseñado principalmente para estudios de

yacimientos geotérmicos y de alto nivel de aislamiento de residuos nucleares,

TOUGH2 se puede aplicar a una amplia gama de problemas en la transferencia de

calor y humedad, y en el secado de materiales poroso

� T2VOC: es un módulo para flujo en tres fases, agua, aire, y un compuesto orgánico

volátil (VOC). T2VOC fue diseñado para simular procesos tales como la migración

de peligrosos líquidos en fase no acuosa (NAPL) en medios variablemente

saturado, extracción forzada de vacío de vapores químicos orgánicos de la zona no

saturada (suelo de extracción de vapor), la evaporación y la difusión de vapores

químicos en el zona no saturada, inyección de aire en la zona saturada para la

eliminación de compuestos orgánicos volátiles (burbujeo de aire), bombeo directo

de agua contaminada y el producto libre, y la inyección de vapor para la

eliminación de los NAPL de suelos y acuíferos contaminados.

� TMVOC: Es un simulador numérico de tres fases no isotérmico de flujo de agua,

gas del suelo, y una mezcla multicomponente de productos químicos orgánicos



16-XVI

volátiles (COV) en multidimensionales medios porosos heterogéneos. TMVOC está

diseñado para aplicaciones a problemas de contaminación que implican

combustible de hidrocarburos o los derrames de disolvente orgánico en las zonas

saturadas y no saturadas.

� iTOUGH2: (inverso TOUGH2) es un programa informático que proporciona

capacidades de modelación inversa para los códigos difíciles. iTOUGH2 resuelve el

problema inverso de forma automática para la calibración de un modelo TOUGH2

(o cualquier otro modelo) con los datos observados. Cualquier parámetro de

entrada TOUGH2 se puede estimar sobre la base de todas las observaciones que le

son correspondientes a la salida calculada de TOUGH2. (Laboratory, 2012).

16.1.8 R-UNSAT

Es un modelo computacional para la simulación de transporte de especies químicas

reactivas, en medios porosos variablemente saturados. R-UNSAT fue diseñado para

simular el transporte de compuestos orgánicos volátiles en la zona no saturada de fuentes

puntuales y no puntuales, pero también se puede aplicar a otros problemas de transporte

de la zona no saturada que implican la difusión del gas, tales como la migración de radón y

la deposición de compuestos de la atmósfera a las aguas subterráneas poco profundas. En

un modo de calibración, R-UNSAT se puede utilizar para estimar las tasas de transporte de

masas, la biodegradación y las tasas de volatilización, o propiedades de transporte de los

sedimentos de la zona no saturada. En el modo de predicción, R-UNSAT se puede utilizar

para predecir la distribución de una especie como una función del tiempo y en el espacio y

para estimar la pérdida de masa o tasas de carga para el agua subterránea (New Jersey,

2012).

16.1.9 PRZM 3.12.2

El PRZM (Pesticide Root Zone Model), es un programa desarrollado por el Nacional

Exposure Research Laboratory, United States Environmental Protection Agency (EPA),

para simular el transporte y la transformación de diferentes tipos de pesticidas a través de



16-XVII

la zona de raíces del cultivo y en la zona no saturada del suelo antes de salir al mercado en

los Estados Unidos. En esta la versión 3.12.2, se ha complementado para modelar el ciclo

del nitrógeno.

El PRZM.3.12.2 está organizado en 4 módulos principales, cada uno de ellos con diferentes

subrutinas, necesarias para el almacenamiento de datos, cálculos y listado de resultados.

• EXESUP, controla la simulación.

• PRZM, realiza las simulaciones de transporte y transformaciones para la zona de

raíces.

• VADOFT, realiza las simulaciones de transporte y transformaciones para la zona

vadosa.

• MONTE CARLO, realiza el análisis de sensibilidad generando datos de entrada

aleatorios.

PRZM3.12.2 tiene la capacidad de simular múltiples zonas. Permite a los módulos PRZM y

VADOFT la combinación de diferentes características de la zona de raíces y de la zona no

saturada en una sola simulación. Las zonas pueden ser visualizadas como segmentos de

múltiples capas unidas entre sí de manera horizontal.

16.2 MODELOS QUE DESCRIBEN LAS PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS NO SATURADOS.

16.2.1 UNSODA

UNSODA versión 2.0 del programa, elaborada por Attila Nemes, Marcel G. Schaap, y Feike

J. Leij, pertenecientes al USDA (United Estates Departement of Agriculture). UNSODA

consiste en una base de datos de las propiedades hidráulicas de los suelos no saturados

(contenido de humedad, conductividad hidráulica y difusividad del agua en el suelo),

propiedades básicas del suelo (distribución del tamaño de partículas, densidad, contenido

de materia orgánica, etc.) e información adicional sobre el suelo y los procedimientos

experimentales. El programa puede utilizarse para: (1) guardar y editar datos, (2) buscar

datos, (3) escribir los contenidos de conjuntos de datos seleccionados y (4) para describir



16-XVIII

los datos hidráulicos de los suelos no saturados con expresiones analíticas de forma

cerrada (Reyna, 2008).

UNSODA sirve como depósito de conjuntos de datos que se puede utilizar como una

fuente de sustitutos para datos hidráulicos, o para el desarrollo y evaluación de métodos

indirectos en la estimacion de las propiedades hidráulicas de suelos insaturados. UNSODA

está escrito en Microsoft Access© (USDA, 2012).

16.2.2 RETC

RETC (RETention Curve), fue desarrollado por van Genuchten, Leij y Yates dentro del

Laboratorio de Salinidad de U.S.A., Departamento de Agricultura. El programa usa los

modelos paramétricos de Brooks-Corey (1964) y van Genuchten (1978) para representar las

curvas de retención de agua del suelo, y los modelos de distribución teórica del tamaño de

poros de Mualem (1976a) y Burdine (1953) para determinar la función de conductividad

hidráulica en función de los datos observados de retención de agua del suelo. El programa

también permite un ajuste analítico simultáneo de los datos observados de retención de

agua y conductividad. El código de RETC es descendiente del código SOHYP (van Genuchten,

1978).

RETC incluye una valuación directa de las funciones hidráulicas cuando los parámetros del

modelo son conocidos, también incluye una forma más flexible para introducir los

parámetros para los procesos de optimización y la posibilidad de evaluar los parámetros del

modelo de los datos observados de conductividad y retención de agua. El código de RETC

puede ser modificado fácilmente para tener en cuenta los procesos más complicados como

flujo histerético bifásico.

El programa RETC permite realizar un análisis de estimación de parámetros de los datos de

conductividad y humedad en forma consecutiva o simultánea e incluye en su salida una

matriz que especifica el grado de correlación entre los coeficientes ajustados y los

diferentes modelos hidráulicos. La matriz refleja la no-ortogonalidad entre dos



16-XIX

parámetros. Un valor ± 1 sugiere una perfecta correlación lineal y 0 indica que no existe

correlación (van Genuchten, et al., 2012).

16.2.3 Soil Data Mart

Es una pagina interactiva la cual le permite determinar tabular el suelo y obtener los datos

espaciales disponibles, descargar los datos del suelo de un área de estudio a la vez,

descargar una plantilla Access de Microsoft® con la base de datos para trabajar con estos y

generar una variedad de informes para un área de estudio del suelo a la vez. Esta base de

datos solo está disponible para los estados de los EEUU.

http://soildatamart.nrcs.usda.gov/



17-XX

17 ANEXO E

A continuación se presenta un listado de las publicaciones generadas durante el desarrollo

de esta tesis las cuales han sido presentadas en reuniones y congresos científicos de la

disciplina.

-. “Desarrollo de una guía de muestreo de suelos para el estudio de los herbicidas en áreas

de cultivo”. Reyna Santiago, R. Murialdo, H. Pesci, E. Durand, M. Monetti, J. Linares, T.

Reyna, E. Reyna, M. Lábaque, P. Santucho, P. Mazzini, Ariel Rampoldi. 13º Congresso

Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental. 2 - 5 de noviembre de 2011. San Pablo.

-. “Calibración y Aplicación de Sensores de Capacitancia para Medición de Infiltración y

Avance de Agroquímicos”. Teresa Reyna, Santiago Reyna, María Lábaque, Jorge Linares,

Raquel Murialdo. VII Congreso Argentino de Hidrogeología. V Seminario Hispano-

Latinoamericano sobre Temas Actuales de la Hidrología Subterránea. Asociación

Internacional de Hidrogeólogos Grupo Argentino. 18 al 21 de octubre de 2011. Salta.

-. “Vulnerabilidad de Suelos de Producción Agrícola con Aplicaciones de Agroquímicos”.

Santiago Reyna, Teresa Reyna, Raquel Murialdo, Hugo Pesci, María Lábaque, Eugenia

Durand, Jorge Linares, M., Fabián Fulginiti. VII Congreso Argentino de Hidrogeología. V

Seminario Hispano-Latinoamericano sobre Temas Actuales de la Hidrología Subterránea.

Asociación Internacional de Hidrogeologos Grupo Argentino. 18 al 21 de octubre de 2011.

Salta.

Y una publicación realizada en revista internacional con referato:

-. Importancia de la determinación de la humedad en estudios de infiltración y escorrentía

superficial para períodos largos. Teresa Reyna, Santiago Reyna, María Lábaque, Fabián

Fulginiti, César Riha, Jorge Linares. Revista Ambiente & Água - An Interdisciplinary Journal

of Applied Science. v. 6, n. 2, 2011. ISSN 1980-993X – doi:10.4136/1980-993X. Editorial

Instituto de Pesquisas Ambientais em Bacias Hidrográficas (IPABHi). San Pablo, Brasil.

La cual se adjunta a continuación.



17-XXI

17.1 PUBLICACIÓN A REVISTA AMBIENTE & ÁGUA - AN INTERDISCIPLINARY JOURNAL OF

APPLIED SCIENCE (Dra.Reyna, et al., 2011)



17-XXII

13 ANEXO A ......................................................................................................................................... 13-I

13.1 CALIBRACIÓN DE LOS SENSORES EC-5, 5-TE Y 10-HS ............................................. ....................... 13-I

14 ANEXO B ........................................................................................................................................ 14-V

14.1 DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE ATRAZINA Y ACETO-CLORO ................................ 14-V

15 ANEXO C ..................................................................................................................................... 15-VIII

15.1 SISTEMA DE SEGUIMIENTO DE LA HUMEDAD COMO UN CONTROL DE ALERTAS .................... 15-VIII

15.2 FACTORES A MONITOREAR ........................................................................................... ............. 15-IX

15.2.1 Humedad............................................ ................................................... ........................... 15-IX

15.2.2 Nivel freático ....................................................................................... ............................. 15-IX

15.2.3 Precipitaciones y temperatura ambiente ............................................................... ........... 15-X

15.2.4 Registradores (dataloggers) .......................................................................... ................... 15-X

15.3 UNIDADES DE MONITOREO ............................................................................................ ........... 15-XI

15.4 TAREAS DE INSTALACIÓN REALIZADAS ........................................................................................ 15-I

16 ANEXO D ..................................................................................................................................... 16-VIII

16.1 SOFTWARE EXISTENTE PARA INFILTRACIÓN Y FUNCIONES HIDRÁULICAS DE SUELOS ............. 16-VIII

16.1.1 UNSATCHEM-2D.......................................................................................... ................... 16-VIII

16.1.2 CHAIN-2D ............................................................................................. ............................ 16-IX

16.1.3 VS2DI versión 1.3 .............................................................................................................. 16-X

16.1.4 CHEMFLO 2000 versión 2005.10.13 ...................................................................... ........... 16-XI

16.1.5 VLEACH ........................................................................................................................... 16-XII

16.1.6 SUTRASUITE ........................................................................................... ........................ 16-XIII

16.1.7 TOUGH ............................................. ................................................... ............................ 16-XV

16.1.8 R-UNSAT .............................................................................................. ........................... 16-XVI

16.1.9 PRZM 3.12.2 .......................................................................................... ......................... 16-XVI

16.2 MODELOS QUE DESCRIBEN LAS PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS NO SATURADOS. . 16-

XVII

16.2.1 UNSODA ............................................................................................... ......................... 16-XVII

16.2.2 RETC .............................................. ................................................... ............................ 16-XVIII

16.2.3 Soil Data Mart ....................................................................................... ......................... 16-XIX

17 ANEXO E ...................................................................................................................................... 17-XX



17-XXIII

17.1 PUBLICACIÓN A REVISTA AMBIENTE & ÁGUA - AN INTERDISCIPLINARY JOURNAL OF APPLIED

SCIENCE (REYNA, ET AL., 2011) ............................................. ................................................... .................. 17-XXI

Revista Ambiente & Água - An Interdisciplinary Journal of Applied Science: v. 6, n. 2, 2011.

ISSN = 1980-993X – doi:10.4136/1980-993X www.ambi-agua.net

E-mail: [email protected] Tel.: (12) 3625-4212

Importancia de la determinación de la humedad en estudios de infiltración y escorrentía superficial para períodos largos

Teresa Reyna, Santiago Reyna, María Lábaque, Fabián Fulginiti, César Riha,

Jorge Linares

1Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional Córdoba. Av. Vélez Sarsfield 1611 Córdoba, Córdoba, Argentina

e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]

RESUMEN La determinación de la humedad natural del suelo es primordial para resolver problemas

vinculados a las necesidades de agua de riego, consideraciones ambientales y determinación de los excedentes hídricos. Para el cálculo del escurrimiento, se pueden adoptar modelos que consideran a la infiltración exclusivamente como una pérdida o modelos de cálculo de infiltración, que modelan el agua infiltrada. Los que utilizan el cálculo de la infiltración, consideran más adecuadamente la interacción de los procesos de infiltración - escorrentía y aportan información adicional sobre el fenómeno de infiltración que permite establecer las condiciones existentes de humedad en el suelo ante la ocurrencia de un nuevo evento (simulación para períodos largos). Estos modelos requieren resolver la ecuación de Richards y para ello es imprescindible determinar la relación entre la humedad del suelo - succión y conductividad hidráulica - succión que requieren de la determinación de las propiedades hidráulicas que pueden obtenerse mediante la medición del contenido de agua, perfiles de humedad. El objetivo de este trabajo fue la verificación de estas curvas de humedad en suelos loésicos del sur de la ciudad de Córdoba, Argentina. Para ello se realizaron mediciones que se contrastaron con las modelaciones de infiltración utilizando las funciones hidráulicas determinadas. Las mediciones se efectuaron utilizando tres sondas instaladas a distintas profundidades. Los resultados mostraron que los valores obtenidos con NETRAIN representan adecuadamente el comportamiento de humedecimiento y secado del suelo estudiado. La determinación de estas curvas servirá de base para los estudios futuros que incluyen el avance de agroquímicos en el suelo y su potencial capacidades de contaminar las aguas subterráneas tema fundamental para definir pautas de manejo ambiental. Palabras claves: humedad en suelos; funciones hidráulicas; loess; zona vadosa; modelaciones hidrológicas.

Importance of moisture determination in studies of infiltration and surface runoff for long periods

ABSTRACT The determination of the natural soil moisture is essential to solve problems related to

irrigation water requirements, environmental considerations, and determination of surplus water. For the determination of runoff one can adopt models that consider exclusively the infiltration as a loss or one could use computational models of infiltration to model the infiltrated water. Models based on the infiltration calculation consider well the interaction between infiltration - runoff processes and provide additional information on the phenomenon of infiltration which establishes the existing conditions of moisture in the soil before the

REYNA, T.; REYNA, S.; LÁBAQUE, M.; FULGINITI, F.; RIHA, C.; LINARES, J. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional Córdoba. Importancia de la determinación de la humedad en estudios de infiltración y escorrentía superficial para períodos largos. Ambi-Agua, Taubaté, v. 6, n. 2, p. xx-xx, 2011. (doi:10.4136/ambi-agua.XXX)

78

occurrence of a new event (simulation for long periods). These models require solving Richards’s equation and for this purpose it is necessary to determine the relation between the soil moisture - suction and hydraulic conductivity - suction which require the determination of the hydraulic properties that can be obtained by measuring the water content by moisture profiles. The aim of this study was the verification of these moisture curves in loessic soils in the south of the city of Cordoba, Argentina. To do this, measurements were done and compared with results of infiltration models based on the determined hydraulic functions. The measurements were done using three probes installed at different depths. The results showed that the values obtained with NETRAIN adequately represent the behavior of wetting and drying conditions of the studied soil.The determination of these curves provided a basis for future studies that include the advancement of agricultural chemicals in the soil and its potential capacity to pollute groundwater, fundamental issue to define environmental management policies. Keywords: moisture in soil; hydraulic functions; loess; vadose zone; hydrological modeling.

Importância da determinação da umidade em estudos de infiltração e escoamento superficial por longos períodos

RESUMO A determinação da umidade natural do solo é essencial para resolver problemas

relacionados com os requisitos da água de irrigação, as considerações ambientais e determinação de água em excesso. Para o cálculo do escoamento, podem ser adotados modelos que consideram a infiltração exclusivamente como uma perda ou modelos computacionais de infiltração, que modelam a água infiltrada. Aqueles que utilizam o cálculo de infiltração consideram melhor a interação dos processos de infiltração - enxurrada e fornecem informações adicionais sobre o fenômeno da infiltração, que permitem estabelecer as condições existentes de umidade no solo antes da ocorrência de um novo evento (simulação por longos períodos). Esses modelos requerem resolver a equação de Richards e para isso é essencial determinar a relação entre umidade do solo - sucção e condutividade hidráulica - sucção que exigem, por sua vez, a determinação das propriedades hidráulicas que podem ser obtidas pela medição de perfis de umidade do solo. O objetivo deste estudo foi a verificação dessas curvas de umidade em solos loésicos da cidade de Córdoba, Argentina. Para isso, realizaram-se medições que foram contrastadas com a modelagem da infiltração, usando-se as funções hidráulicas determinadas. As medições foram realizadas utilizando-se três sondas que foram instaladas em diferentes profundidades. Os resultados mostraram que os valores obtidos com NETRAIN representam adequadamente o comportamento de molhagem e secagem do solo estudado. A determinação dessas curvas servirá de base para estudos futuros que incluam o avanço de agrotóxicos no perfil do solo e sua capacidade potencial de poluição das águas subterrâneas, tema fundamental para definir diretrizes de gestão ambiental. Palavras-chave: umidade do solo; funções hidráulicas; loess; zona vadosa; modelagens hidrológicas.

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad se ha tomado conciencia de la importancia de conocer y poder predecir el comportamiento hidrológico superficial, hidrogeológico e hidráulico de una manera más ajustada, como así también de las interrelaciones de estos sistemas. La parte de la


79

precipitación que es considerada como pérdida por la hidrología clásica, es uno de los principales elementos en hidrogeología; es el factor que vincula los elementos de este complejo sistema.

Muchos investigadores tienen como objetivo resolver en forma conjunta los procesos de escorrentía e infiltración. En términos matemáticos, el escurrimiento en cursos superficiales y el flujo subterráneo en acuíferos freáticos están gobernados por ecuaciones diferenciales no lineales acopladas, definidas en áreas de geometría compleja, donde cada componente está caracterizada por una escala temporal muy disímil entre sí, aspecto que dificulta la solución conjunta de las ecuaciones (Paz et al., 2005).

Cuando se desea estudiar el escurrimiento de una cuenca utilizando modelos de infiltración, es común enfrentarse al problema de que existen pocos datos de las propiedades hidráulicas de los suelos. Sin embargo, en general, es posible contar con las curvas granulométricas y no resulta demasiado complicado realizar también otras mediciones geotécnicas simples con ensayos de suelo tradicionales: medición de la humedad residual y la humedad de saturación. Los parámetros determinados mediante mediciones son importantes y permiten obtener las funciones hidráulicas de los suelos de la cuenca.

Por otro lado, conociendo valores de las propiedades hidráulicas en forma discreta es posible definir funciones que establezcan relaciones continuas entre la humedad y la succión y la conductividad hidráulica y la succión. Aún cuando no es posible tener mediciones de las propiedades hidráulicas en todo el rango de succión, se pueden determinar las curvas de humedad-succión y conductividad-succión del suelo combinando los conocimientos de las propiedades de otros suelos y el conocimiento de otros parámetros del suelo en estudio (Reyna, 2000).

Breddin (1963) planteó una clasificación gráfica que permite establecer la conductividad hidráulica saturada a través de las curvas granulométricas de suelos. En particular, el conocimiento de la distribución granulométrica y los parámetros usuales obtenidos de los ensayos del suelo estándares permiten obtener las funciones de conductividad y humedad del suelo en forma aproximada.

El recurso suelo de Argentina ha sido la base principal del desarrollo económico del país. Largos períodos con grandes cosechas hicieron que al país se lo llamara “El granero del mundo”. Desde otras latitudes, el nombre de Argentina se asociaba con amplias planicies de inagotables suelos profundos, oscuros, capaces de producir altos rendimientos de granos y carne de excelente calidad. Estos conceptos son relativamente válidos para la Pampa Húmeda que ocupa algo menos de un tercio del territorio, donde las planicies son dominantes, formadas por sedimentos modernos no consolidados, con pastizales naturales y clima templado (Hall et al., 1992). Sin embargo, los dos tercios restantes son altamente contrastantes, la mayor parte dominada por clima árido. Debe aplicarse riego para la producción de cultivos, la que sólo se practica en la proximidad de los ríos principales o en pequeños oasis de poca extensión en las áreas montañosas (Ibañez, 2010).

La provincia de Córdoba es la segunda provincia del país en nivel de actividad agropecuaria, por detrás de la Provincia de Buenos Aires. La agricultura de la provincia se caracteriza principalmente el cultivo de soja y maíz, seguido por el trigo, el sorgo y el girasol. Con respecto al maní, Córdoba concentra la práctica totalidad de la producción nacional en dicho rubro.

Con relación a estas actividades es importante destacar que las prácticas actuales de expansión de la actividad agrícola y la incorporación de agroquímicos ha llevado a la región a ser considerada como un sistema ambientalmente frágil, que brindan pocos servicios ambientales debido a la pérdida de biodiversidad y por encontrarse sometidos a distintos procesos de degradación encubiertos por una creciente dependencia de insumos.


80

En función de lo expuesto es imprescindible avanzar en el conocimiento de los procesos de infiltración en estos suelos que son una fuente fundamental de ingresos para el país en este contexto se encaró la necesidad de la verificación de las curvas de humedad de los suelos loésicos al sur de la ciudad de Córdoba, república Argentina (Figura 1), determinadas teóricamente a través de estudios realizados en laboratorio, datos de otros suelos y curvas granulométricas y una importante aplicación posterior en modelaciones hidrológicas para períodos largos. La determinación de las curvas de humedad-succión y conductividad-succión de los loess servirán además para los estudios siguientes que incluyen el avance de los agroquímicos en los perfiles de los suelos y su potencial capacidades de contaminar las aguas subterráneas.

Figura 1. Ubicación de la Zona de estudio.

Con este fin se trabajó sobre una parcela experimental ubicada al sur de la Ciudad de

Córdoba. En esta parcela se registraron de forma continua los eventos de precipitación y ausencia de esta ocurridas en un período de cuatro meses desde diciembre del año 2009. Se registraron también los valores de humedad experimentados por el suelo a distintas profundidades.

En este artículo se presenta las modelaciones de infiltración obtenidas utilizando el programa NETRAIN 3.0 (Reyna, 2008) realizados con datos probenientes de la parcela experimental considerando eventos de precipitación. Este programa fue desarrollado con el objetivo de generar un mecanismo que permita el cálculo de la infiltración por medio de la ecuación de Richards para su posterior ingreso a HEC-1. Desarrollándose esta aplicación de forma que sea posible su eventual incorporación al código fuente original de HEC-1.

NETRAIN 3.0 permite resolver la ecuación de Richards en diferencias finitas considerando las propiedades hidráulicas de los suelos de la base de datos de UNSODA (Leij et al., 1996). Al ser los datos de UNSODA una base de datos discreta, obtenida de las mediciones realizadas en distintas partes del mundo, NETRAIN interpola entre los datos originales para obtener una curva continua de conductividad - succión y humedad-succión. La salida del programa permite obtener el perfil de humedad para cada tiempo y la precipitación efectiva al descontar el agua que se infiltra en el suelo durante el proceso.

Los resultados obtenidos por este programa se contrastaron con mediciones realizadas sobre la parcela experimental.


81

1.2. Suelos Loésicos Unas de las principales dificultades que se encuentran para modelar los procesos de

infiltración es conocer los parámetros de los suelos para lograr una adecuada representación de la realidad.

Los suelos más importantes desde el punto de vista agrícola están desarrollados en sedimentos eólicos cuaternarios que cubren las Planicies Chaco-Pampeanas, indicadas como ecoregiones Chaco Seco y Húmedo, Espinal y Pampa en la Figura 2 (Burkart et al., 1999). El material está formado por restos de rocas meteorizadas y también contiene cantidades significativas de vidrio volcánico, producto de la erupción de volcanes andinos.

Figura 2. Eco-Regiones de Argentina. Modificado de: Burkart et al. (1999).

Este sedimento se conoce como Loess Pampeano debido a su similitud con materiales y

depósitos loéssicos en otras partes del mundo (Frenguelli, 1955; Teruggi, 1957). Desde el punto de vista mineralógico el loess es rico en minerales meteorizables con cantidades conspicuas de calcio, potasio, fósforo y microelementos, así como materiales amorfos de origen volcánico (Scoppa, 1974).

En la Figura 3 (Pazos y Moscatelli, 1998) se muestra un ejemplo de la composición mineralógica promedio de suelos derivados de loess Pampeano, una fuente rica en nutrientes para las plantas. Las características físicas del loess Pampeano favorecen la formación de


82

horizontes superficiales bien estructurados, profundos, oscuros y adecuados para el desarrollo de raíces.

Figura 3. Composición mineralógica promedio de la fracción arena de seis perfiles de suelos del centro de la Provincia de Buenos Aires (Pazos y Moscatelli, 1998). R = rutilo; Z = zircón; T = turmalina; A = anatasa

El loess de Córdoba en general está compuesto por: Arena fina (>0,080 mm): 3,1%,

Limo (0,080 a 0,002 mm): 84,4% y Arcilla (<0,002 mm): 12,5%. El Peso Unitario Seco promedio es (γd): 13,14 kN/m3 y el grado de saturación varía entre el 27% y el 38% (Redolfi, 1993). En la Tabla 1 se presentan valores orientativos de los loess locales.

Tabla 1. Valores medios del loess de Córdoba, Argentina.

PARÁMETRO ENTORNO Humedad Natural Gravimétrica (w %) ≈ 20 Densidad Seca (kN/m3) 12,5 – 15,3

Límite Líquido (%) 20 – 27

Índice Plástico (%) 2 – 6

Pasante Tamiz T 200 (%) 85 – 99

2. NETRAIN

El modelo NETRAIN 3.0, resuelve la ecuación de Richards en diferencias finitas. En forma unidimensional la ecuación de Richards expresa:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+1

dy

dHK

dy

d =

dt

dθ [1]

donde θ es la humedad volumétrica, K la conductividad hidráulica y H la succión.


83

El modelo de flujo no saturado planteado para la fase líquida considera que la fase gaseosa se encuentra a presión atmosférica constante, es decir el modelo es monofásico.

La Ecuación 1 puede ser expresada en términos de diferencias finitas, obteniéndose la Ecuación 2.

+−−

+ −+−−+−− DT

DY

HH

DY

KK=

JIJIJIJI

JIJI *)(

*)( ),1()1,1(),1()1,1(

),1(),( θθ

DTDY

KKDT

DYDY

HHHK

JIJIJIJIJI *)(

**

)*2(* ),1()1,1()1,1(),1()1,1( −+−−−−+− −

−+−

+ [2]

donde el parámetro K se forma ponderando el valor de conductividad para las puntos contiguos en el paso de tiempo previo. Las variables que intervienen se pueden observar en la Figura 4.

PR

OF

UN

DID

AD

(J)

TIEMPO (I)

CELDA i+1,jθ (i+1,j)K(i+1,j)H(i+1,j)

CELDA i+1,j-1θ (i+1,j-1)K(i+1,j-1)H(i+1,j-1)

CELDA i+1,j+1θ (i+1,j+1)K(i+1,j+1)H(i+1,j+1)

CELDA i,j+1θ (i,j+1)K(i,j+1)H(i,j+1)

CELDA i,j-1θ (i,j-1)K(i,j-1)H(i,j-1)

CELDA i-1,j+1θ (i-1,j+1)K(i-1,j+1)H(i-1,j+1)

CELDA i-1,jθ (i-1,j)K(i-1,j)H(i-1,j)

CELDA i-1,j-1θ (i-1,j-1)K(i-1,j-1)H(i-1,j-1)

CELDA i,jθ (i,j)K(i,j)H(i,j)

Figura 4. Esquema en diferencias finitas para la resolución del modelo unidimensional (Reyna, 2008).

El programa emplea un paso de tiempo fijo, de un minuto, para el cálculo computacional, el cual ha demostrado ser lo suficientemente pequeño para representar el proceso de escurrimiento en medios porosos. Dado el paso de tiempo, el programa fija el paso del elemento diferencial en el espacio cumpliendo con la condición de Courant para este tipo de problema.Asimismo, el programa determina la cantidad de elementos diferenciales y la cantidad de pasos de tiempo que abarcará la simulación para que el usuario pueda evaluar la aptitud de estos valores.

La modelación con NETRAIN se realizó para el período total desde donde se tomaron las mediciones para la misma se consideró una humedad superficial inicial de 0,21. Las condiciones precedentes de humedad son un patrón determinante en el comportamiento del suelo ante cualquier evento. Cuando se realizan simulaciones que no permiten manejar la evolución del secado y humedecimiento del suelo, la humedad antecedente cobra particular significación tanto en la determinación de las evoluciones de las variación de la humedad en el suelo como en la determinación de la escorrentía superficial asociada a dichos eventos


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donde una determinación precisa de la infiltración es fundamental para el cálculo correcto de la misma.

Las propiedades hidráulicas utilizadas en la modelación fueron determinadas con la metodología que se describe a continuación.

2.1. Funciones Hidráulicas del Loess

Para determinar las funciones hidráulicas de los mismos primero se procedió a comparar las propiedades hidráulicas de suelos del mundo con características físicas similares.

Los datos de los suelos y las mediciones se obtuvieron del programa UNSODA. La base de datos de UNSODA, proporciona las propiedades hidráulicas de los suelos no saturados (contenido de humedad, conductividad hidráulica y difusividad del agua en el suelo), propiedades básicas del suelo (distribución del tamaño de partículas, densidad, contenido de materia orgánica, etc.) e información adicional sobre el suelo y los procedimientos experimentales (Leij et al., 1996).

De acuerdo a los datos de suelos se realizaron las curvas de las propiedades hidráulicas medidas (ver Figura 5 y 6), en las mismas se puede observar que los valores son similares. Se pueden definir entonces envolventes que marcan el rango de variación de los valores de humedad y conductividad para este tipo de suelos y para distintas succiones.

El rango de variación de las propiedades hidráulicas de distintos tipo de suelos finos permite establecer un marco para las propiedades y para los estudios de infiltración.

La curva correspondiente a la envolvente de las conductividades hidráulicas superior corresponde a un suelo hipotético con función de conductividad hidráulica – succión por encima de las conductividades de los suelos analizados, lo mismo se realizó para la función hidráulica límite inferior de las conductividades hidráulicas y de las curvas de humedad-succión.

Estas funciones hidráulicas se determinaron utilizando el modelo de van Genuchten-Mualem.

Van Genuchten (1980) presentó una ecuación para el cálculo del grado de saturación efectiva, la cual tiene ventajas para su implementación en los modelos de cálculo de flujo en medios porosos no saturados,

])h(+[1

1 = S mne α

[3]

donde α, n y m son constantes empíricas. La ecuación tiene como límite la expresión de Brooks y Corey con λ = mn. Cuando n tiende a infinito (mientras el producto mn es constante e igual a 0,4), aparece la curva de Brooks y Corey, con un determinado valor de entrada de aire. Las restricciones usuales utilizadas para la ecuación de Van Genuchten son m = 1-1/n y m = 1-2/n. Los resultados más estables se obtienen generalmente cuando se utilizan las restricciones para una serie incompleta de datos.

El modelo de Mualem (1976) expresa a la conductividad hidráulica en función del grado de saturación:

]f(1)

)Sf([S K = )SK(

2elese [4]

donde

dxh(x)

1 = )Sf( S

0ee∫ [5]

Ks es la conductividad hidráulica en estado de saturación y l es un parámetro de la conectividad de poros estimado por Mualem (1976) que en general vale 0,5.


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Cuando n es menor que 1 no se puede predecir la función de conductividad, esta característica es una limitación importante del caso de variables m y n. Van Genuchten, Leij y Yates recomiendan el uso de las variables m, n sólo para el caso de tener datos bien definidos de humedad, y el uso de la restricción m = 1 - 1/n para todos los otros casos.

Las ecuaciones para la conductividad y la difusividad (D = K dh/dθ) asumen que el valor de Ks está bien definido y puede ser medido fácilmente, esto es cierto para suelos granulares, pero para los suelos no alterados esto no es cierto. La inspección de las curvas de conductividad y difusividad muestra que un pequeño cambio en el contenido de humedad produce cambios de varios órdenes en K y D, lo que indica que pequeños errores en la medición del contenido de humedad cerca de la saturación pueden producir grandes errores en la estimación de la conductividad hidráulica saturada del suelo. Las consideraciones teóricas y experimentales sugieren que Ks no debe utilizarse para ajustar los modelos de conductividad hidráulica (Jackson, et al., 1965; Green y Corey, 1971). Si se propone algún punto arbitrario de la conductividad hidráulica (K0) asociado a algún valor de humedad (θ0) el modelo de Mualem puede ser redefinido como:

])Sf(

)Sf([]

s

S)[S) = K(SK(

e

el

e

e

ee

2

00

0 [6]

donde el grado de saturación es:

θθθθθ

rs

r00ee

-

- = )(S = S

0 [7]

Los parámetros del suelo hipotético correspondiente a la función hidráulica

conductividad superior son humedad de saturación 0,467 cm3/cm3 y conductividad saturada 2,92 cm/h; para el suelo hipotético límite conductividad inferior: humedad de saturación 0,30 cm3/cm3 y conductividad hidráulica saturada 0,004 cm/h.

Para los suelos hipotéticos límites de la humedad se obtuvieron los siguientes parámetros: superior, humedad de saturación 0,47 cm3/cm3 y conductividad saturada 2,91 cm/h y; para el suelo hipotético límite humedad inferior: humedad de saturación 0,30 cm3/cm3 y conductividad hidráulica saturada 0,006 cm/h (Reyna, 2000) (Figura 5 y Figura 6).

La determinación de estos parámetros es particularmente significativa en los suelos loésicos, en los que el agua tiene un rol muy importante en la formación y comportamiento posterior de los mismos (Rinaldi, 1994).

De los análisis realizados de las curvas de propiedades hidráulicas de otros suelos finos y de la comparación con los datos de campo y laboratorio sobre el loess pampeano, particularmente el de la zona sur de Córdoba, se estableció que el mismo tiene las siguientes características hidráulicas medias: humedad residual 0,10 cm3/cm3; humedad de saturación 0,36 cm3/cm3; conductividad saturada 61 cm/día.


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Figura 5. Curvas de humedad – succión, suelos; Warden Limo (Rockhold et al., 1988), Ohlendorf (Plagge et al., 1990), Odessa (Shein, 1990), Moldova Chernozem I y II (Meschtankova, 1989).

Figura 6. Curvas de Conductividad – succión, suelos; Warden Limo (Rockhold et al., 1988), Ohlendorf (Plagge et al., 1990), Odessa (Shein, 1990), Moldova Chernozem I y II (Meschtankova, 1989).


87

2.2. Mediciones de Campo Con el objetivo de verificar las modelaciones obtenidas con el modelo NETRAIN; se

hacía necesario contrastar los resultados de humedecimiento y secado con mediciones de campo.

Existen distintos métodos para estimar la humedad de suelo en campo (muestreo gravimétrico, sonda de neutrones, tensiómetros, psicrómetros, etc.). Desafortunadamente, cada uno de estos métodos tiene dificultades que los alejan de lo ideal (Vita Serman et al., 2006).

Los métodos dieléctricos (incluyendo sensores de capacitancia (FDR), alta frecuencia, radio frecuencia, microondas y TDR) proveen una buena precisión a pesar de ser de medición indirecta si, como todo método indirecto de medición de humedad de suelo, se realiza una calibración en el lugar específico de utilización para definir la relación entre el contenido volumétrico del suelo y su coeficiente dieléctrico.

En este trabajo el método elegido para las mediciones de humedad en el campo fue el de sensores de capacitancia los que ofrecen una excelente alternativa al TDR, por su bajo coste y bajo consumo energético (Bogena et al., 2007).

Las mediciones se realizaron por el período de cuatro meses a partir de diciembre de 2009 en una parcela experimental de 5 m x 5m con escasa pendiente hacia el centro donde un receptáculo conectado a un ducto enterrado conduce los excedentes hacia el exterior del predio, por medio del cual se aforaban los caudales excedentes. La cubierta vegetal es césped gramillón, el cual es cortado quincenalmente para mantener su altura entre 1,5 y 4 cm.

Con el fin de realizar un seguimiento de la humedad del suelo se instalaron sensores de humedad a tres profundidades distintas.

Se registraron la respuesta de los sensores ante la ocurrencia de eventos de precipitación. El intervalo de lectura en cada sensor fue seteado en 5 minutos.

3. MATERIALES Y MÉTODOS

Los sensores utilizados para medir la humedad del suelo fueron sensores de capacitancia adquiridos a la empresa DECAGON y corresponden a los modelos (Figura 7):

• 10 - HS (Denominado a partir de este momento P1): Colocado a 10 cm bajo el nivel del terreno • 5 - TE (P2): Colocado a 30 cm bajo el nivel del terreno • 5 - EC (P3): Colocado a 80 cm bajo el nivel del terreno.

Figura 7. Imágenes de los sensores 10-HS, 5 – EC y 5 -TE.

Los eventos de precipitación se midieron con un pluviógrafo de una sola cuchara

autodescargable marca Decagon Modelo ECHO – RAIN de exactitud +/- 2%.


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Los datos fueron recogidos mediante un datalogger modelo EM-50 el cual tiene 5 canales de entrada, resolución A/D de 32 bits y excitación de 3V por canal. Posteriormente los datos recogidos fueron procesados identificando y eliminando errores de muestreo.

3.2. Calibración

Las sondas Decagon de ECH2O miden el contenido volumétrico de agua del suelo mediante la medición de la constante dieléctrica del suelo, que es función del contenido de agua. Sin embargo, no todos los suelos tienen las mismos propiedades eléctricas. Debido a las variaciones en la textura del suelo y la salinidad, la precisión en los resultados obtenidos utilizando la calibración genérica para Sondas ECH2O es de aproximadamente ± 3.4% para la mayoría de suelos minerales de textura mediana a fina y una exactitud para los suelos de alta salinidad y de textura gruesa que puede variar hasta ± 10 %. Sin embargo, la precisión aumenta ± 2.1% para todos los suelos con la calibración del suelo específico.

Decagon recomienda que los usuarios de sondas ECH2O realicen una calibración del suelo específica para la mejor precisión posible en las mediciones del contenido volumétrico de agua. (Duglas, 2009), por lo que se procedió a realizar la calibración para el tipo de suelo a estudiar.

Se obtuvieron las curvas de calibración específicas tomando tres muestras de 7,5 x 7,2 cm, empaquetadas en las que se insertaron cada sensor.

Partiendo de saturación, las muestras se van secando progresivamente al aire y se van tomando medidas simultáneas con el sensor y del peso de la muestra con la balanza de laboratorio. Finalmente se determina el peso seco tras secado en estufa a 105ºC. A partir del los pesos obtenidos y con el peso seco se calcula し como cociente entre la diferencia de pesadas entre ambos pesos y el volumen de la muestra.

Para dicho ajuste se procedió a correlacionar las lecturas que arroja el sensor (RAW) y la humedad del suelo medido en el laboratorio para cada sensor. RAW es la unidad de almacenamiento del datalogger. Las curvas de calibración y las ecuaciones de calibración obtenidas se observan en las Figuras 8 y 9.

Figura 8. Funciones de correlación lectura (RAW) vs humedad (m3/m3) para el sensor 10-HS.


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Figura 9. Función de correlación lectura (RAW) vs humedad (m3/m3) para el sensor 5-EC.

Una vez calibrado los sensores para el suelo estudiado, se procedió a graficar las curvas de humedecimiento – secado en función del tiempo para los distintos sensores.

Las curvas de humedecimiento – secado medidas en función del tiempo para los sensores se presentan en las en las Figuras 10, 11 y 12. En las Figuras 10 y 11 se observa la variación que experimenta la humedad frente a los eventos de precipitación desde un valor de 0,37 que corresponde a la saturación de la superficie.

Figura 10. Curva de Humedecimiento – Secado – Sensor P1: h=10 cm.


90

Figura 11. Curva de Humedecimiento – Secado – Sensor P2: h=30 cm.

Figura 12. Curva de Humedecimiento –Secado. Sensores P1 (10 cm), P2 (30 cm) y P3 (80 cm).

La calibración anterior se verificó con suelo de otra parcela ubicada más al sur lote del instituto del INTA en Córdoba coordenadas geográficas 63° 44’44.91’’ Oeste 31° 52’ 19.08’’ Sur, en esta nueva parcela se colocaron los sensores luego de realizada la calibración. Al igual que para el primer caso se tomaron muestras del suelo y se las ensayaron en laboratorio. Los resultados de las calibraciones para el suelo de la nueva parcela se presentan en las Figuras 13 y 14.


91

Figura 13. Función de correlación lectura (RAW) vs humedad (m3/m3) para el sensor 10-HS para el suelo de la parcela del INTA.

Figura 14. Función de correlación lectura (RAW) vs humedad (m3/m3) para el sensor EC-5 para el suelo de la parcela del INTA.

3. RESULTADOS

En las Figuras 15 y 16 se presentan sólo la modelación de un evento que corresponde a la precipitación de 1 mm ocurrida el 17 de marzo del 2010 junto con los datos obtenidos de los


92

sensores. Los resultados del perfil de humedad obtenidos a 10 cm y 30 cm de profundidad muestran como la humedad a los 10 cm es mayor que la humedad a los 30 cm en todo el periodo modelado presentándose una mayor variación cuando se produce la precipitación que no logra saturar la superficie.

Luego se modeló el evento ocurrido durante el día 18 de marzo de 2010 con una lámina de 3 mm los resultados se presentan en la Figura 17.

Figura 15. Curvas de humedad medidas y modelada para evento del día 07/03/2010 entre las 02:58 AM y las 02:38 PM.

Figura 16. Curvas de humedad medidas y modelada para evento del día 07/03/2010 entre las 02:38 PM y las 00:38 AM.


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Figura 17. Curvas de humedades medidas y modelada para el evento del día 18 de marzo de 2010. (10:10 PM – 01:56AM).

Por otro lado los resultados de la modelación, muestran que las funciones hidráulicas

determinadas precedentemente representan adecuadamente el comportamiento de humedecimiento y secado del suelo.

La salida de NETRAIN permite obtener el perfil de humedad para cada tiempo y la precipitación efectiva al descontar el agua que se infiltra en el suelo durante el proceso lo que caracteriza no sólo el escurrimiento superficial, sino también los estados de humedad del suelo en la zona vadosa durante y luego de estos eventos.

Este conocimiento permite determinar la capacidad disponible de humedad en el suelo para actividades agronómicas y es una herramienta importante en el estudio del transporte de contaminantes.

4. CONCLUSIONES

La determinación de la curva de humedecimiento superficial del suelo es primordial para

resolver problemas vinculados a las necesidades de agua de riego, consideraciones ambientales y determinación de los excedentes hídricos.

De manera particular, para el cálculo del escurrimiento ante eventos continuos de lluvia, se pueden adoptar modelos simplificados (consideran a la infiltración exclusivamente como una pérdida y no dan información de las condiciones de humedad del suelo) o modelos de cálculo de infiltración (modelan el agua infiltrada y consideran más adecuadamente la interacción de los procesos de infiltración - escorrentía).

Existen en la actualidad diversos modelos numéricos que permiten predecir el movimiento del agua y los químicos en y a través de la zona no-saturada del suelo como son HYDRUS (Simunek et al., 1999); UNSATCHEM-2D (Simunek et al., 1996); CHAIN-2D (Simunek et al., 1994); MODFLOW (Harbaugh y Mc Donald, 1996); etc. Estos modelos utilizan numerosos parámetros entre ellos: las funciones hidráulicas de los suelos no-


94

saturados. En general estas funciones se obtienen de la aplicación de modelos como los de Brooks y Corey (1964, 1966) y Van Genuchten (1980) entre otros.

Reyna (2000) encontró que estos modelos ajustan de manera razonable sólo en un rango de humedad cuando se analizan los suelos loéssicos de Córdoba (Argentina).

Cuando el rango de variación de la succión o la conductividad se desarrolla a través de distintos órdenes de magnitud, es necesario representar esta variación mediante funciones por tramos y, en muchas ocasiones los parámetros requeridos por estas funciones no se encuentran disponibles. El uso y desarrollo de herramientas computacionales como NETRAIN permite subsanar estos inconvenientes.

En este artículo se describe esta herramienta computacional y el método utilizado para definir las propiedades hidráulicas a utilizar en los cálculos.

Con el fin de verificar los valores obtenidos por NETRAIN se contrastaron las curvas de humedad simuladas por este programa para un evento de lluvia, con mediciones de campo obtenidas para ese evento.

Para la obtención de las mediciones de campo y a fin de disminuir el error en la toma de datos, se realizaron, previamente, la calibración de los equipos utilizados.

Los datos de humedad registrados muestran que en los primeros 10 cm de suelo, el mismo acompañan a los registros de lluvia con ciclos de humedecimiento y secados. De manera más amortiguada se siguen observando estos ciclos a 30 cm de profundidad y pasan a ser casi imperturbados a profundidades de 80 cm o más.

Los resultados de contrastar los datos de la modelación con NETRAIN y los valores registrados en campo para el evento modelado a la profundidad de 30 cm muestran una diferencia del orden del 1%; que es el mismo orden del error de registro de los sensores.

Actualmente se sigue tomando en campo datos de precipitación y lectura de los sensores de manera continua para luego contrastarlos con los resultados arrojados por NETRAIN modelado con los mismos eventos de precipitación y ausencia de esta.

Al mismo tiempo se han instalado nuevos sensores en parcelas de uso agrícola sometidos a riego. Estas observaciones servirán de base para estudiar el comportamiento de los plaguicidas y fertilizantes en los perfiles de los suelos y su potencial capacidad de contaminar las aguas subterráneas. Estos estudios se muestran prioritarios para poder definir pautas de manejo ambiental de los suelos sometidos a actividades agrícolas.

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APLICACIÓN DE UN MODELO UNIDIMENSIONAL PARA FLUJO EN SUELOS SATURADOS Y NO SATURADOS Y TRANSPORTE...

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