Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo. VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003

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1 Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo. VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003 Investigación e innovación tecnológica en zanjas de infiltración y canales de desviación, en el Secano Costero e Interior de las Regiones VI, VII y VIII de Chile. Roberto Pizarro T. 1, Claudia Sangüesa P. 2, Juan Pablo Flores V. 2, Enzo Martínez A 2. 1 Departamento de Gestión Forestal y Ambiental, Facultad de Ciencias Forestales, Universidad de Talca. 2 Norte 685, Talca, Chile. rpizarro@utalca.cl 2 Sociedad Estándares de Ingeniería para Aguas y Suelos, EIAS. 2 Norte 685, Talca, Chile. csanguesa@utalca.cl jflores@utalca.cl emartinez@utalca.cl INTRODUCCIÓN La erosión hídrica, es un factor crítico para el establecimiento y desarrollo de plantaciones forestales en gran parte del secano de las Regiones VI, VII y VIII de Chile Central, además de ser un elemento determinante en la pérdida de la productividad de suelos, ya que no permite una buena retención de las aguas de lluvia y a la vez, provoca la pérdida de nutrientes. En este sentido, la incorporación de las técnicas de conservación de aguas y suelos y la vigencia de la Ley Nº (de Fomento Forestal), que incentiva la actividad forestal en suelos de aptitud forestal y en suelos degradados, hacen vislumbrar una nueva forma de trabajo de la tierra, asegurando un mejor uso productivo de ella. Sin embargo, en Chile no existen estándares determinísticos de diseño y construcción de obras de conservación de aguas y suelos, ni elementos técnicos, hidrológico matemáticos y económicos, que aporten a la ingeniería de diseño de las mismas. Lo anterior define la necesidad de evaluar la eficacia, eficiencia y el impacto de todo el esfuerzo que hace el Estado a través de las bonificaciones a las obras de conservación de aguas y suelos ligada a la actividad forestal. En función de lo expuesto, la Sociedad Estándares de Ingeniería para Aguas y Suelos Ltda. (EIAS) conformada por la Universidad de Talca y la empresas: Bosques de Chile, Terranova y Bosques Villanueva, está ejecutando el proyecto Determinación de estándares de ingeniería en obras de conservación y aprovechamiento de aguas y suelos para el mantenimiento e incremento de la productividad silvícola, financiado por el Fondo de Desarrollo e Innovación (FDI) de la Corporación de Fomento de la Producción (CORFO). El objetivo es incrementar la productividad de los suelos de aptitud forestal del territorio árido y semiárido de las Regiones VI, VII y norte de la VIII, mediante el diseño hidrológico de obras de conservación y aprovechamiento de aguas y suelos, utilizando para ello, estándares específicos para tres tipos de obras que se estudian, a saber: zanjas de infiltración, subsolado y canales de desviación. Todo ello desde una perspectiva participativa, técnica y geográfica, que permita una implementación amigable de estas técnicas, en términos económicamente factibles y que favorezcan marcos de actuación sustentables. El proyecto está dividido en tres etapas; la primera, comprende el diseño de las obras y la construcción de ellas en terreno (con un total de 10 ensayos); en la segunda etapa se evalúa el funcionamiento de las obras, y en la tercera y última etapa, se corrobora la evaluación con nuevas mediciones, para la obtención de las conclusiones finales respecto a la efectividad del diseño de las obras. En 7 ensayos se construyeron zanjas de infiltración en el año 2002 (Hidango, Pumanque, Botacura, Parrón, Name, Manzanares y Llohué) y en dos ensayos, Llanillos (VII Región) y Paredones (VI Región), se está estudiando el comportamiento de cárcavas, construyendo un canal de desviación en cada uno, durante abril del año En este artículo se mostrará el trabajo realizado con las dos obras de conservación de aguas y suelos ya mencionadas, al segundo año de ejecución del proyecto. MATERIALES Y METODOS El diseño de las obras de conservación y aprovechamiento de suelos y aguas, debe considerar previamente, un análisis de las intensidades de precipitación, para así, diseñar las obras que favorecen la infiltración del agua de lluvia en condiciones desfavorables. En este contexto, uno de los primeros requerimientos a considerar es la determinación del periodo de retorno (T), el que se define como el tiempo que transcurre entre dos fenómenos de las mismas características. Con esto, es posible tener un horizonte de planificación, dentro del 119

2 cual no debería presentarse un evento con precipitaciones superiores a la calculada (Pizarro y Novoa, 1986). Asociado a lo que se expone, el periodo de retorno para el total de ensayos de este estudio, corresponde a un T de 20 años, el cual se justifica por considerar a este tiempo, el promedio de rotación en plantaciones de Pino Radiata D. Don. Curvas Intensi dad-duración-frecuencia IDF Otro elemento importante, es la determinación y construcción de las curvas intensidad-duraciónfrecuencia, curvas que resultan de unir los puntos representativos de la intensidad media en intervalos de diferente duración, y correspondientes, todos ellos, a una misma frecuencia o período de retorno (Témez, 1978), y cuya finalidad es la de aportar patrones de conductas de las lluvias. Es importante señalar, que cuando sólo se dispone de un pluviómetro en una estación, en general, sólo se podrá conocer la intensidad media en 24 horas. Como se comprenderá, esta información puede inducir a grandes errores por defecto, por cuanto las lluvias de corta duración son, en general, las más intensas. Es natural, entonces, que las determinaciones de intensidades de lluvia se hagan a partir de los registros proporcionados por los pluviógrafos (Aros, 1997). Existen diferentes métodos para la construcción de las curvas intensidad-duración-frecuencia (IDF), según diversos autores. En este proyecto se utilizaron las curvas construidas según el método de Témez (1978), el cual relaciona las intensidades de precipitación para distintos períodos de retorno, con el propósito de graficar la relación entre las tres variables (Intensidad- Duración Frecuencia) (Pizarro et al, 2001). Diseño hidrológico de zanjas de infiltración El principio fundamental a la hora de diseñar las zanjas de infiltración corresponde a que la cantidad de agua de lluvia que cae en la zona da captación, debe ser menor o igual a la que capta y absorbe la zanja. Es decir, la capacidad de éstas no debe ser sobrepasada por el total de aportaciones que a ella converjan. Las zanjas de infiltración a construir, poseen una sección rectangular de h cm de altura y b cm de base, mientras que éstas tienen un largo variable L (Figura 1). El diseño considera además, un rebaje en el borde aguas arriba para facilitar la entrada de agua y evitar la erosión de las paredes; la expresión matemática que define este principio es: V V + V ai = (1) cz in Donde: V ai : Volumen de aportación de la zona de impluvio; V cz : Volumen de captura de las zanjas y V in: Volumen de infiltración. A su vez, cada componente se define por las siguientes expresiones: V = I A e (2) ai i V cz b h L = (3) V in b v L = (4) Donde: I: precipitación máxima en 1 hora (mm); Ai: superficie de la zona de impluvio (m 2 ); e: coeficiente de escorrentía; b: base de la zanja de infiltración (m); h: altura de la zanja (m); L: largo de zanja (m) y v: velocidad de infiltración de la zanja llevada a unidad de longitud (m). Por otra parte, la velocidad de infiltración determina la cantidad de agua que infiltra en el suelo, dando una aproximación del comportamiento del agua dentro de una zanja. El método utilizado para determinar la velocidad de infiltración es el método del cilindro (Gurovich, 1985), con la variante de utilizar las tres últimas mediciones de infiltración (y no todas las alturas medidas, como lo plantea el método), como factor de seguridad que permita diseñar las obras para las condiciones más desfavorables en cuanto a saturación del suelo. Asociado a lo anteriormente expuesto, en el proyecto se decidió estudiar dos tipos de zanjas: zanja 1 de base de 0,2 m y altura 0,3 m y zanja 2 de base de 0,3 m y altura 0,3 m. 120

3 Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo. VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003 Entonces, al ser conocida la sección de las zanjas (ecuación 3) y el volumen de infiltración (ecuación 4), sólo queda por conocer el distanciamiento horizontal entre líneas de zanjas, lo cual se determina a través de la superficie de la zona de impluvio (Ai) dado por la ecuación (2) y asumiendo un valor unitario para el largo de la zanja. Figura 1. Esquema de una zanja de infiltración; donde d = distanciamiento entre líneas de zanjas, L = largo de zanja, b = base de la zanja, h = altura efectiva de la zanja, con Área de impluvio = d x L. Esta metodología se está probando en 7 ensayos ubicados entre la VI y VIII Regiones. Las características de las obras construidas y los principales elementos utilizados para su diseño se muestran en el cuadro 1. Cuadro 1. Características de las zanjas de infiltración. Ensayo Distancia entre zanjas (m) Zanja 1 (0,2 m) Zanja 2 (0,3 m) Intensidad máxima horaria Velocidadde Infiltración Intensidad máxima en 1 hora (mm.h -1 ) (mm.h -1 ) medida año 2003 (mm.h -1 ) VIII Región Manzanares 4,5 6,5 19,00 72,0 8,8 Llohué ,00 451,3 8,8 VII Región Parrón ,78 356,0 14,0 Botacura ,10 300,0 9,8 Name ,61 20,3 10,6 VI Región Hidango-INIA ,78 89,3 16,2 Pumanque 4,5 6,5 18,90 38,0 14,4 Las intensidades de diseño fueron calculadas para un periodo de retorno de 20 años y si se comparan con las intensidades medidas durante el año 2003, se puede observar que sólo en un ensayo la intensidad de diseño fue superada por la real, no obstante, no se produjo daño de ningún tipo en las obras. Diseño hidrológico de un canal de evacuación de aguas lluvias El primer paso de un diseño de un canal de desviación es elegir la forma de la sección; en este sentido, la que ofrece las mejores perspectivas de construcción, es la sección trapezoidal, en función del diseño, construcción, material y aspectos de costos (Pizarro, 1988). Para el canal de desviación y las zanjas de infiltración es importante conocer el área de aportación o de impluvio, lo que está directamente relacionado con el distanciamiento de las obras, en caso que hubiese más de una. Una vez definida la forma, se utilizó un método basado en la ecuación racional y la ecuación de Manning, lo que se resume en los siguientes pasos: Determinación del caudal Utilizando la ecuación racional para la determinación del caudal, se tiene: Q e I Ai = (5) Donde: Q: caudal en m 3.s -1 ; e: coeficiente de escorrentía; I: intensidad de precipitación máxima en 30 minutos, en mmh -1 y Ai = área de impluvio en ha. 121

4 Luego, analizando cada uno de estos factores se tiene lo siguiente: Coeficiente de escorrentía (e) Está dado por una tabla en la que se clasifican las características de la cuenca. Las características consideradas son relieve del terreno, permeabilidad del suelo, cobertura de la vegetación y capacidad de almacenaje del agua. Intensidad de precipitación máxima en 30 minutos Para ambos ensayos se utilizó la estación pluviográfica de Pencahue (VII Región), dado que esta estación presenta registros de intensidades de precipitación y cuenta con las curvas IDF (intensidad - duración frecuencia). Por otra parte, cerca del ensayo de Paredones, en la VI Región, no existe una estación que posea las curvas IDF (Pizarro et al, 2001). En este contexto la curva utilizada para ambos ensayos viene dada por la siguiente fórmula: I 63,694 T D 0, , = (6) Donde: T: período de retorno en años (se consideró 20 años) y D: duración de la lluvia en minutos (se consideró 30 minutos, ya que en no menos de 30 minutos se deberían concentrar las aguas a ser evacuadas por el canal). Se utilizó una duración de 30 minutos, la que presenta una intensidad mayor que la existente para una hora, con el fin de disminuir la probabilidad de que ocurra un evento de grandes proporciones y la obra sea sobrepasada. Por otro lado, el utilizar una duración más pequeña, de 15, 10 ó 5 minutos, no se justifica, ya que ello implica usar mayores intensidades de precipitación y un considerable mayor tamaño de la obra, lo que repercute en los costos. Asimismo, el utilizar duraciones pequeñas, se ve limitado por las características de las bandas de pluviógrafos, las que presentan una baja resolución, llegando a lo más a 1 hora. Sin embargo, la razón fundamental es que se contaría con valores de diseño muy altos, ya que a través de las curvas I- D-F ajustadas o un modelo matemático es posible obtener intensidades para lapsos menores a 1 hora. Área de impluvio Es la superficie de captación de aguas lluvias, la cual aporta directamente el agua a la obra en estudio. Es decir, es la superficie que proporcionará el agua que será evacuada por la obra. Cabe destacar que si se construyeran más de un canal en una misma ladera, el área de impluvio del canal de cota inferior estará dada por la distancia entre ambas obras. Teniendo los valores de los tres parámetros anteriores, se calcula el caudal de diseño, a través de la ecuación (5). Cálculo de la sección del canal En términos generales, el caudal se define como el producto de la sección del canal y la velocidad del agua, es decir, Q A V = (7) Donde; Q: caudal en m 3.s -1 ; A: sección del canal en m 2 y V = velocidad del agua en m.s -1. Según las características de los suelos de Llanillos y Paredones (franco arcilloso y arcillo arenoso, respectivamente) se consideró una velocidad de 0,9 m.s -1.para ambos. Entonces, ya conocidas las variables Q y V, se llegó a un valor de sección de canal que se muestra en el cuadro 2. Cálculo de las dimensiones Para calcular el tirante o altura efectiva del canal, se necesita, previamente, determinar el ángulo de inclinación del talud del canal con respecto a la vertical, dado que la formulación matemática obtenida a través de la maximización del radio hidráulico, así lo requiere. Para este caso, se definió un valor de a = 30º. 122

5 Evaluación de parámetros y procesos hidrológicos en el suelo. VII Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. La Serena, Chile, 2003 Cuadro 2. Dimensiones de los canales de desviación para los ensayos Llanillos y Paredones Dimensiones y parámetros Paredones Llanillos del canal de desviación Coeficiente de Escorrentía 0,70 0,70 Área de impluvio (ha) 2,0 3,0 Velocidad (m.s -1 ) 0,9 0,9 Caudal (m 3.s -1 ) 0,1229 0,0819 Sección del canal (m 2 ) 0,091 0,137 Tirante (m) 0,229 0,281 Base de fondo (m) 0,265 0,324 Longitud de talud (m) 0,265 0,324 Pendiente (m.m -1 ) 0,016 0,012 Revancha (m) 0,30 0,30 A partir del ángulo conocido, es posible el cálculo de las dimensiones de la sección del canal como se muestra en el cuadro 3. (Figura 2) Cuadro 3. Expresiones matemáticas que definen las dimensiones de un canal de desviación Parámetro Tirante (h) Base del fondo (b) Longitud de talud (l) Pendiente del canal (s) Radio hidráulico (R) Fórmula S cosα h = 2 senα S b = h tgα h h I = cosα 1 Q = s 1/ 2 / 3 R 2 S n h R = 2 Donde, S = Sección del canal en m 2 ; a = ángulo del talud con respecto a la vertical = 30º; Q = caudal a conducir, en m 3 /s; n = coeficiente de rozamiento de Manning; s = pendiente longitudinal del canal, en m/m y R = radio hidráulico, en m. Figura 2. Dibujo esquemático de un canal de desviación 123

6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN A sólo dos años de este estudio, si bien no es posible mostrar resultados definitivos, es posible obtener algunas conclusiones respecto a la metodología utilizada para el diseño de zanjas de infiltración y canales de desviación. En términos hidrológicos, la metodología se basa en la intensidad máxima de precipitación en 1 hora, para las zanjas de infiltración y en 30 minutos, en el caso de los canales de desviación. En este sentido, las intensidades de precipitación medidas no han superado a las utilizadas en el diseño, a excepción del ensayo de Paredones, en que se registró 22 mm.h -1, superando levemente a los 21,07 mm.h -1 de diseño. En este ensayo, el canal soportó de buena manera la alta intensidad registrada, debido en gran parte a los factores de seguridad utilizado, específicamente en la revancha. En general, el factor de seguridad utilizado en el diseño de las zanjas, el cual incorpora los conceptos de período de retorno, máximas intensidades de precipitación en una hora para series de datos pluviográficos de 20 años, y valores mínimos de velocidad de infiltración de agua en el suelo, ha permitido que las obras intercepten la escorrentía superficial y no sean sobrepasadas por ella. Además, se destaca que el año 2002, fue una excelente prueba de validación, dado que ese año hidrológico, presentó una alta pluviometría y por otra parte, el año 2003 presentó altas intensidades de precipitación, llegando a los 22 mm.h -1. Esta metodología permite determinar los distanciamientos óptimos para distintos tamaños de zanjas propuestos en esta investigación, y junto con ello, el número de líneas de zanjas necesarios para la captura de la escorrentía superficial. En este marco, al finalizar la investigación se espera evaluar y determinar los estándares de diseño y construcción de las obras de conservación y aprovechamiento de aguas y suelos, lo que permitirá la optimización de los recursos invertidos por el Estado y mejorar la productividad de los suelos, disminuyendo la erosión hídrica. REFERENCIAS Aros V Apuntes de Hidrología Ingeniería Civil. Universidad de Concepción. Concepción. Chile p. Gurovich L Fundamentos y diseño de sistema de riego. Instituto Interamericano de cooperación para la agricultura (CIIA). Primera Edición, San José, Costa Rica. Capítulo 6. P Pizarro R.; Novoa, P Instructivo N 5. Determinación de valores probabilísticos para variables hidrológicas. Elementos técnicos de Hidrología. Corporación Nacional Forestal (CONAF). Chile. 78 p. Pizarro R Elementos Técnicos de hidrología II (Instructivos Técnicos): Proyecto regional sobre uso y conservación de recursos hídricos en áreas rurales de América Latina y el Caribe. UNESCO-Oficina Regional de Ciencia y Tecnología; CONAF, IV Región. Chile.109p. Pizarro R.; Abarza A.; Farias C Análisis comparativo de las curvas intensidad-duraciónfrecuencia IDF, en 6 estaciones pluviográficas distribuidas en la VII región del Maule. En Actas del XV Congreso Chileno e Ingeniería Hidráulica. Sociedad Chilena de Ingeniería Hidráulica. Concepción, Chile, Témez J Cálculo Hidrometeorológico de caudales máximos en pequeñas cuencas naturales. Dirección General de Carreteras. Madrid. España. 111p. 124