La precipitación efectiva como componente del

La precipitación efectiva como componente del balance de agua en un
Paleudol Petrocálcico de Balcarce: Eventos de precipitación simulada.
IRIGOYEN, A. I.(1) ; SUERO, E.E.(1) y J. M .GARDIOL(2).
(1) Unidad Integrada: Facultad de Ciencias Agrarias UNMdP -EEA INTA Balcarce. Argentina.
agrobal@inta.gov.ar
(2) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, UBA. Argentina.
Abstract
The objective of this research is to asses the effect of initial soil conditions and rainfall characteristics on
effective precipitation. Microplots with bare soil surface (Petrocalcic Paleudol), 2% sloping and presowing
management were prepared to rainfall simulation. Simulated rainfall was applied using a portable simulator
designed for Irurtia and Mon (Soil Institute, INTA Castelar). Two initial water contents were tested to three
intensities (80, 50 y 20 mm/h) and three storm durations (15, 30 y 45 min). Depth of rainfall and runoff were
measured at 5 min intervals.
Simulations show that runoff is significantly affected by antecedent moisture condition. There is a significant
interaction between intensity and duration at lowest initial water content.
A minimum kinetic energy is needed to overcome the inherent strength of soil and to start runoff, depending on
the storm intensity and antecedent moisture condition.
Key words: effective precipitation, simulated rainfall, soil water balance, runoff.
1. Introducción
El balance hídrico permite estimar el agua almacenada en el suelo, así como deficiencias o excesos. La
metodología requiere información sobre la capacidad de almacenamiento del suelo, el ingreso de agua,
ya sea por precipitación o riego, las pérdidas por evapotranspiración, escurrimiento y drenaje.
La evapotranspiración puede ser estimada en forma confiable a partir de variables meteorológicas, y la
precipitación y el riego son fácilmente medidos, mientras que el escurrimiento y el drenaje son las
variables de mayor dificultad de medición.
La cantidad de agua que ingresa al suelo (precipitación efectiva) en terrenos con pendiente y sin
control del escurrimiento no siempre es igual a la precipitación total registrada. Algunos estudios
hidrológicos pueden aceptar el supuesto de igualdad entre precipitación total y efectiva, dependiendo
de las escalas de tiempo y/o espacio empleadas, mientras que otros requieren mayor precisión en la
determinación.
El ingreso de agua al suelo está afectado por la intensidad y duración de la precipitación (Beke et al.,
1991; Angel y Huff, 1995) como por las condiciones del terreno que incluyen pendiente, tipo de
cubierta, rugosidad de la superficie y contenido de humedad del horizonte superficial (Dastane, 1974;
Agassi y Ben-Hur, 1991; Fullen, 1991; Kwaad y Van Mulligen, 1991; Govers y Loch, 1993; Navas,
1993; Truman y Bradford, 1993; Poesen y Lavee, 1994).
La evaluación de estos procesos en condiciones de lluvia natural requiere de períodos largos (5 a 10
años), problema que ha sido resuelto en parte mediante el empleo de simuladores de lluvia, con los
cuales se puede obtener un gran volumen de información en períodos breves. Aparte de esta ventaja,
los simuladores permiten controlar la intensidad de la lluvia aplicada, son eficientes en términos de
tiempo y mano de obra requerida. Sus principales desventajas son: la dificultad de simular lluvias con
características similares a las lluvias naturales y las limitaciones en el tamaño de las parcelas a
emplear.
El objetivo de este trabajo es evaluar el efecto de las características de la precipitación y del contenido
de humedad en el horizonte superficial sobre la precipitación efectiva en un suelo con pendiente,
laboreado y sin cubierta vegetal.
Las relaciones intensidad y duración de la precipitación - humedad del horizonte superficial
permitirán, establecer los coeficientes de corrección de efectividad de la precipitación. La aplicación
de dicha corrección tiene como finalidad aumentar la precisión en el balance de agua en un suelo típico
de Balcarce.
2. Materiales y Métodos
La experiencia se realizó en el campo experimental de la EEA INTA Balcarce (37º45' lat. S. y 58º18'
long. W). Se prepararon de aproximadamente 1 m2 sobre un Paleudol petrocálcico con 2% de
pendiente y sin cubierta vegetal. Las propiedades físicas y químicas del horizonte Ap se detallan en el
Cuadro 2.1.
Cuadro 2.1. Propiedades físicas y químicas del horizonte Ap.
M.O.
%
Arcillas
%
Limos
%
Arenas
%
5.3
26.8
34.5
38.7
C.Campo
mm/10
cm
30
Se establecieron 2 niveles de humedad inicial en superficie:
i) en el rango de 65-80% de la Capacidad de Campo, tratamiento que se alcanzó impidiendo el ingreso
de agua proveniente de precipitaciones naturales (superficie seca, H1)
ii) en el rango de 85-100% de la Capacidad de Campo que se alcanzó con eventual humedecimiento
(superficie húmeda, H2)
Se empleó el equipo portátil de simulación de lluvias diseñado por Irurtia y Mon (Instituto de Suelos,
INTA Castelar) para evaluar 3 intensidades y 3 duraciones de tormenta. Las características de la
precipitación simulada se presentan en el Cuadro 2.2.
Cuadro 2.2. Características de los eventos simulados.
Diámetro de gota (mm)
Energía cinética (J/m2) en una hora
80 mm/h
6.1 a
2400
Intensidad
50 mm/h
5.9 b
1500
20 mm/h
5.8 c
600
El diseño experimental empleado corresponde al de parcelas divididas, con el nivel de humedad inicial
en la parcela principal y el factorial intensidad * duración en la subparcela.
Determinaciones realizadas antes y después de cada simulación:
- contenido de humedad por el método gravimétrico en la capa 0-0.20m y por el método de dispersión
de neutrones en las restantes capas.
Determinaciones realizadas durante la simulación a intervalos de 5 minutos:
- escurrimiento
- precipitación aplicada
La precipitación efectiva fue determinada a partir del balance de agua entre precipitación y
escurrimiento. La pérdidas por evaporación o drenaje posteriores al evento son despreciables, ya que
las determinaciones de humedad se realizaron en un lapso de tiempo muy breve (aproximadamente
15´).
3. Resultados y Discusión
La humedad inicial afecta significativamente la precipitación efectiva. Dentro del menor nivel de
humedad inicial (H1) hay interacción significativa entre intensidad y duración del evento. La
intensidad de 20 mm/h es totalmente efectiva en cada duración. Para las intensidades de 50 y 80 mm/h
se verifica un descenso de la precipitación efectiva con el aumento de la duración de la tormenta. En
los eventos de mayor duración se hace mayor la diferencia entre intensidades (Fig. 3.1).
Dentro del mayor nivel de humedad inicial (H2) no hay interacción significativa entre duración e
intensidad. La intensidad de 20 mm/h alcanza valores de escurrimiento sólo en el evento de 45
minutos.
1
1
0,8
p efectiva (%)
p efectiva (%)
a
0,6
0,4
0,2
0
b
0,8
0,6
0,4
0,2
0
15
30
45
15
tiem po (m in)
30
45
tiem po (m in)
intensidad (mm/h):
80
50
20
Fig. 3.1. Precipitación efectiva de los eventos simulados. a. humedad inicial de 65-80% de C. de Campo. b.
humedad inicial 85-100% de C. de Campo.
Las diferencias en escurrimiento total para las distintas intensidades se deben principalmente a
diferencias en las tasas de escurrimiento. Para ambos niveles de humedad inicial y todas las
duraciones, las tasas de escurrimiento son mayores a la intensidad de 80 mm/h que a 50 mm/h.
El inicio del escurrimiento debe relacionarse con la separación de partículas de suelo, que es el proceso
precursor del comienzo de la erosión y la formación de sellado superficial. La separación de las
partículas de suelo ocurre cuando las fuerzas erosivas de las gotas son mayores que la resistencia
inherente del suelo (Sharma y Gupta, 1989). La fuerza erosiva depende de la energía cinética de la
lluvia, cuyos componentes son el tamaño de gotas y su velocidad. Resulta relevante comparar las
energías cinéticas obtenidas por la simulación con los valores correspondientes a lluvias naturales,
puesto que pueden alcanzarse iguales intensidades con distinto tamaño de gota y energía. Si se
compara con las estimaciones obtenidas a partir de las ecuaciones desarrolladas por Wischmeier
(1959), citado por Babau (1983), Hudson (1971) y Kinnell (1981) se puede observar que ha sido
posible lograr por esta simulación energías cinéticas similares a las de las lluvias naturales, incluso
para la menor de las intensidades (20 mm/h) el valor simulado es algo superior (Cuadro 3.1).
Cuadro 3.1.Estimaciones de la energía cinética (Jm-2 mm-1)
Intensidad (mm/h)
20
50
80
Wischmeier
(1959)
Hudson (1971)
Kinnell (1981)
Experimento
23.2
26.7
28.5
23.5
27.3
28.3
19.2
26.8
28.6
30.0
30.0
30.0
En la Fig.3.2 se presenta la relación entre energía cinética acumulada en el lapso de la simulación y
escurrimiento en los eventos de 80 y 50 mm/h en el nivel de humedad inicial cercano a la capacidad de
campo (H2). Aunque las tasas de escurrimiento son mayores con la intensidad de 80 mm/h, el
comportamiento es similar en ambas intensidades. Se pueden distinguir una energía cinética mínima
necesaria para iniciar escurrimiento superficial y un valor de energía por encima del cual la tasa se
torna relativamente constante.
El ajuste de la ecuación y= a + b / 1 + exp -( x -c) / d (Cuadro 3.2) permite determinar que la
intensidad de 80 mm/h inicia el escurrimiento con una energía cinética acumulada de 183.7 J m-2,
mientras que la tormenta de 50 mm/h lo hace con 119.54 J m-2. Una vez que comienza el escurrimiento
hay una pendiente mas abrupta en la intensidad de 80 mm/h. Como lo señalan Helming et al. (1993)
puede suceder que la mayor tasa de humedecimiento cause una acelerada disrupción de los agregados
y así determine un mayor escurrimiento. Si se compara la intensidad de 80 mm/h a los 2 niveles de
humedad puede mencionarse una diferencia de 22 J m-2, energía que se alcanza en una fracción de
minuto.
Estas relaciones entre la energía cinética y el escurrimiento son muy importantes para la modelización
de la erosión. Los valores límites de inicio del escurrimiento están señalando la energía mínima
requerida para superar la resistencia inherente del suelo.
a
b
50
40
30
20
10
)
60
80
70
escurrimiento (mm. h
)
70
escurrimiento (mm.h
80
60
50
40
30
20
10
0
0
0
500
1000
1500
2000
energía cinética acumulada (J.m -2 )
0
500
1000
1500
2000
energía cinética acumulada (J.m -2 )
Fig.3.2. Escurrimiento en función de la energía cinética acumulada en los tratamientos de humedad inicial
cercano a capacidad de campo. a. eventos de 80 mm/h b. eventos de 50 mm/h.
Cuadro 3.2. Parámetros de la ecuación ajustada para el nivel H2 de humedad inicial
Ecuación:
Intensidad
80 mm /h
50 mm /h
y= a + b / (1 + exp (-( x -c) / d))
a
58.013
-3.225
b
-97.031
33.196
Parámetros
c
285.746
372.221
d
-257.294
113.348
R2
0.86
0.92
4. Conclusiones
La humedad inicial afecta significativamente la precipitación efectiva. Existe interacción significativa
entre intensidad y duración del evento cuando el contenido inicial de agua en superficie es de alrededor
del 65-80% de la Capacidad de Campo. La intensidad de 20 mm/h es totalmente efectiva para todas las
duraciones. Con intensidades de 50 y 80 mm/h se verifica un descenso de la precipitación efectiva con
el aumento de la duración de la tormenta.
Para el mayor nivel de humedad inicial (85-100% de C.C.) no hay interacción significativa entre
duración e intensidad. La intensidad de 20 mm/h alcanza valores de escurrimiento sólo en el evento de
45 minutos.
Las precipitaciones de alta intensidad (rango de 50 a 80 mm/h), que generalmente ocurren en tiempo
cortos deberían corregirse a precipitación efectiva, especialmente cuando el contenido de humedad
inicial es alto. A mayor duración la diferencia entre intensidades se hace más visible, pero la
probabilidad de ocurrencia de eventos de tan alta intensidad con prolongadas duraciones es muy baja.
Se pueden distinguir una energía cinética mínima necesaria para iniciar escurrimiento superficial y un
valor de energía por encima del cual la tasa se torna relativamente constante. La energía mínima
requerida para superar la resistencia intrínseca del suelo está en relación con la intensidad de la
tormenta y contenido inicial de humedad.
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