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Title: Desarrollo de una metodología y de un dispositivo para la determinación de la conductividad hidráulica saturada de un medio poroso usando el calor como un trazador natural
Authors: Rodríguez Juárez, Pedro
Issue Date: Aug-2019
Publisher: Universidad Autónoma de Zacatecas
Abstract: Entender con claridad el fenómeno de la infiltración a través de un medio poroso es un reto para la ciencia, diferentes teorías han abordado este tema de carácter hidrodinámico utilizando ciertos indicadores del comportamiento de la humedad en el suelo; tradicionalmente, las pruebas de infiltración se realizan utilizando dispositivos manuales tales como infiltrométros de doble anillo, los cuales registran la infiltración en función del tiempo; sin embargo, este método involucra mucho trabajo y tiempo, así como ciertas incertidumbres en sus mediciones. En este trabajo se describe el desarrollo de una metodología y de un dispositivo para la determinación de la conductividad hidráulica saturada (Ks) de un medio poroso homogéneo en laboratorio, bajo condiciones controladas usando el calor como un trazador natural. Dicho parámetro (Ks), es clave para entender el movimiento del agua a través de un medio poroso. Se presentan los fundamentos teóricos que respaldan el uso del calor, el estado del arte de las investigaciones en el tema, así como los procesos de diseño, calibración y prueba de un nuevo dispositivo denominado Infiltrómetro Automatizado de Laboratorio (ALI), acrónimo de Automated Laboratory Infiltrometer, por sus siglas en inglés. El ALI combina la ventaja de tres diferentes métodos: mide la infiltración vertical en una columna de prueba, mide los volúmenes reales de agua verticalmente drenados y finalmente usa el calor como un trazador natural para determinar las tasas de infiltración a través del medio poroso; todos estos parámetros son usados para determinar la conductividad hidráulica saturada. El ALI ha sido desarrollado usando la muy popular tarjeta Arduino así como sensores disponibles en el mercado lo cual le da un bajo costo a todo el sistema. Los datos generados por el ALI son registrados en una memoria microSD y pueden ser leídos fácilmente por cualquier hoja de cálculo, lo cual permite reducir tiempo y errores en el proceso de toma de datos. El desempeño del ALI ha sido evaluado y una excelente correlación entre los tres métodos utilizados ha sido encontrada (peor correlación: R2 = 0.9826 and NRMSD = 0.94%). La eficacia del dispositivo se demostró toda vez que la conductividad hidráulica saturada para el suelo analizado determinada para los tres métodos se encuentra dentro de los rangos establecidos por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA, por sus siglas en inglés).
Description: A proper understanding of the infiltration process through a porous medium is a challenge for science, different theories have been developed about this hydrodynamic phenomenon using certain soil moisture indicators; traditionally, infiltration tests are performed using manual devices such as double ring infiltrometer, which records the infiltration as a function of time; however, this method involves a lot of work and time, as well as uncertainties in their measurements. This work describes the development of a methodology and a device for the determination of the saturated hydraulic conductivity (Ks) of a homogeneous porous medium in the laboratory, under controlled conditions that use heat as a natural tracer. The saturated hydraulic conductivity is key parameter to understand the movement of water through a porous medium. The fundamental theories of the use of heat as a natural tracer, its state of the art, as well as the processes of design, calibration and testing of a new device called Automated Laboratory Infiltrometer (ALI) are also described. The ALI combines the advantages of three different approaches: measures vertical infiltration rates in a soil column, measures the actual volumes of vertically drained water through the soil column, and finally, uses heat as a natural tracer to determinate water flux rates through the porous medium; all those parameters are used to determinate the saturated hydraulic conductivity. The ALI was developed using the popular Arduino microcontroller board and commercially available sensors that give the whole system a low cost. Data from the ALI are recorded in a microSD memory so they can be easily read from any spreadsheet software helping to reduce time consuming and avoiding reading errors. The performance of the developed device was evaluated by comparing the water flow rates determined by the three approaches for which is designed; an excellent correlation among them was observed (worst correlation: R2 = 0.9826 and NRMSD = 0.94%). The saturated hydraulic conductivity determined for the three methods falls inside the ranges established by the United States Department of Agriculture (USDA) for the analyzed soil, which proved its efficiency.
URI: http://ricaxcan.uaz.edu.mx/jspui/handle/20.500.11845/2321
Other Identifiers: info:eu-repo/semantics/publishedVersion
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