Resumen:
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).
Descripción:
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.