DRENAJE-SUBTERRANEO

DRENAJE SUBTERRANEO

DRENAJE SUBTERRÁNEO INDICE 

Introducción



---------------------------------------------------------------------------- 02 Generalidades -------------------------------------------------------------------------- 04 o Agua freática ------------------------------------------------------------------ 04 o Capa freática ------------------------------------------------------------------ 05 o Carga hidrostática ----------------------------------------------------------- 06 o Estratos -------------------------------------------------------------------------- 07 o Acuíferos Tipos

------------------------------------------------------------------------ 08 de drenaje subterráneo

------------------------------------------------------ 12 Cálculo del drenaje

subterráneo

-------------------------------------------------- 16 o Sistemas de

drenaje

---------------------------------------------------------- 16 o Movimiento del agua hacia los -------------------------------- 22 o Fórmulas

de

--------------------------------------------------------- 25  Régimen

drenes drenaje

permanente

---------------------------------------------- 25

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

Régimen

variable

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INTRODUCCIÓN El drenaje es la remoción de los excesos de agua, que existen en el suelo; mediante sistemas de drenaje se permite retirar las aguas que se acumulan en depresiones topográficas del terreno, causando inconvenientes ya sea a la agricultura o en áreas urbanizadas.

Cuando el agua de riego y el agua de lluvia que se distribuye sobre el terreno se prolongan durante largos períodos, el agua en exceso puede acumularse en la superficie del suelo, trayendo como consecuencia el encharcamiento. Para eliminar el agua encharcada de la superficie del terreno, se aplica el drenaje superficial.

Parte del agua de riego o de lluvia que se infiltra en el suelo quedará almacenada en los poros y será utilizada por los cultivos y otra parte, se perderá por percolación profunda originando la elevación del nivel freático. Cuando el nivel freático alcanza la zona radicular, las plantas pueden sufrir daños debido al anegamiento. Para eliminar el agua en exceso de la zona radicular y las sales disueltas del suelo se utiliza el drenaje subterráneo, que permite el flujo de agua freática hacia los drenes.

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Objetivo

El propósito del drenaje subterráneo es bajar la profundidad de la capa freática de modo que no haya interferencia negativa con la labranza del suelo y la producción agrícola. El drenaje se practica en campos agrícolas que originalmente eran demasiado húmedos o que tenían niveles del agua subterránea demasiado elevados para permitir una agricultura rentable. Además, el drenaje puede ser instrumental en el control de la salinidad del suelo. El desarrollo de criterios de drenaje es necesario para establecer una meta para el diseño y manejo del sistema de drenaje en cuanto al mantenimiento de un nivel óptimo del freático.

Optimización

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La optimización de la profundidad del freático se relaciona a los beneficios y los costos del sistema de drenaje. Cuando menos profundo el nivel permisible del freático, menor el costo de sistema a instalar para realizar esa profundidad. Sin embargo, la bajada del freático, que originalmente estaba demasiado superficial, implica efectos colaterales los cuales se deben tomar en cuenta también. Asimismo los costos de mitigación de los impactos ambientales deben incluirse.

GENERALIDADES Agua freática Cuando tenemos una masa de suelo, esta estará constituida por una parte de material sólido, otra parte por líquidos, y otra parte por gases. Pero si empezamos a bajar de la superficie de la tierra, empezamos a ver que cada vez va a ver mayor contenido de agua, hasta el punto que el contenido de aire es totalmente ocupado por el agua, en este punto donde hallamos solo parte sólida, y parte de agua, la llamamos Nivel Freático. Las aguas Freáticas, son las aguas que encontramos cuando el suelo está saturado, y están por debajo del nivel freático.

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Las Aguas freáticas son aquellas que se acumulan bajo la tierra, almacenadas en los poros que existen en sedimentos como la arena y la grava, y en las fisuras que se encuentran en rocas. El agua freática es parte de la precipitación que se filtra a través del suelo hasta llegar al material rocoso que está saturado de agua, se mueve lentamente hacia los niveles bajos, generalmente en ángulos inclinados (debido a la gravedad) y eventualmente llegan a los arroyos, los lagos y los océanos. Ellas proceden de la precipitación y la condensación, excepto otras como las aguas connatas o fósiles(sedimentarias) y las juveniles (magmáticas). Importancia Las aguas freáticas se han convertido en un elemento de enorme importancia para la provisión de agua para uso humano en las zonas urbanas y rurales, tanto en países desarrollados como en desarrollo. Innumerables ciudades obtienen su suministro para uso doméstico e industrial de acuíferos a través de pozos municipales y privados. Casi el 60 por ciento de las ciudades europeas de más de cien mil habitantes consume agua procedente de acuíferos sobreexplotados. Uso de las aguas freáticas Los agricultores que usan aguas freáticas para irrigar sus cultivos durante la época seca son cada vez más. En las zonas más áridas, donde las precipitaciones son bajas y difícilmente pronosticables, el agua freática puede ser la única fuente de suministro para todos los tipos de actividad agrícola, incluso para abrevar al ganado. Sin embargo, estos recursos se encuentran actualmente bajo crecientes presiones a causa del rápido crecimiento de las poblaciones humanas, tanto por la demanda en constante aumento como por la carga contaminante sobre la superficie de tierra. Se están extrayendo cantidades de agua a ritmos insostenibles en muchas zonas, disminuyendo seriamente las reservas. Además, hay una evidencia creciente de que el agua freática está cada vez más contaminada. Los contaminantes más comunes son el nitrato, la sal, los compuestos orgánicos solubles y, en ciertas condiciones, algunos patógenos fecales. En el subsuelo africano existen extensos acuíferos no recargables. Sus descensos de reservas se estiman en 10.000 millones de metros cúbicos al año

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Capa Freática Una capa freática es acumulación de agua subterránea que se encuentra a una profundidad relativamente pequeña bajo el nivel del suelo. Concretamente es un acuífero, con la diferencia de que los acuíferos pueden estar también a mayores profundidades. De ellas se alimentan los pozos y las fuentes de agua, potable o no. Son los acuiferos más expuestos a la contaminación proveniente de la superficie. Una capa freática suele estar limitada por dos superficies. La inferior suele ser un estrato de terreno impermeable a una profundidad más o menos grande. Por encima hay una zona saturada, la capa freática en sí, cuyo límite superior puede ser un estrato impermeable o no. Este límite es el que se llama nivel freático. Si el terreno que está por encima de ese nivel es permeable, se tratará, normalmente de una zona insaturada.

Por capa freática, se entiende la parte del suelo saturada de agua, es decir, aquella en que los huecos entre los granos de tierra están completamente llenos de agua. Si el estrato que está por encima no es impermeable, habrá tierras no saturadas, cuyos intersticios contienen, además de agua, también aire.

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Puede ser suficiente una aportación suplementaria y reducida de agua para hacer pasar la capa no saturada a capa saturada, es decir, para subir el nivel freático. Y, si el espesor de esta capa no saturada era originalmente poco importante (nivel freático somero) y la topografía del lugar se presta a ello, el agua afloraría a la superficie, en forma de charca, laguna o lago, y hasta puede desencadenar una inundación. Tipos de Capas 

Se dice que una capa es libre cuando su nivel superior puede variar sin encontrarse constreñido por un sustrato superior de terreno impermeable. La perforación de un pozo sobre este tipo de capa no influirá sobre el nivel freático, que solo variará por otras causas.



En caso contrario se hablaría de una capa confinada. El agua estará a presión y si se perfora un pozo, el agua sube hasta su nivel de equilibrio, que será aquél en que la presión del acuífero iguale a la presión atmosférica. Si este equilibrio se produce por encima del nivel del terreno, se habla de un pozo artesiano.

Carga Hidrostática Aguas subterráneas detrás de la estructura

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El talón de la estructura está hundido dentro de un suelo impermeable, de esta manera se toman precauciones con respecto el flujo del agua que pasa por debajo de la estructura. No existe ninguna actividad de agua por delante de la estructura, el agua se encuentra solo detrás misma. Puede llegar a ocurrir que el agua fluya libremente por el frente de la estructura por causa de la gravedad o a la profundidad del drenaje en uso. La parte trasera de la estructura se carga por la presión hidrostática:

Donde:

γw

-

Unidad de peso del agua

hw

-

Diferencia del nivel del agua

Acción de la carga hidrostática Aguas subterráneas delante y detrás de la estructura El talón de la estructura está hundido dentro de un suelo impermeable, de esta manera se toman precauciones con respecto el flujo del agua. Se carga agua delante y detrás de la estructura. El agua delante de la estructura es removida con la ayuda de los efectos de la gravedad o es capturada por bombeo. Ambos partes, delantera y trasera de la estructura, es cargada por la presión hidrostática debido a la diferencia del nivel del agua (h1 y h2) La dimensión hw representa la diferencia entre los niveles de agua delante y detrás de la estructura

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Acción de la carga hidrostática

Estratos Los estratos impermeables que obstaculizan o impiden el movimiento del agua se denominan acuicludos. La arcilla es un buen ejemplo. Por otro lado, las partículas más grandes, como la arena o la grava, tienen espacios porosos mayores. Por ello el agua se mueve con relativa facilidad. Los estratos de roca o sedimentos permeables que transmiten libremente el agua subterránea se denominan acuíferos.

Acuíferos Se conoce como acuíferos a aquellas formaciones geológicas que, estando completamente saturadas, son capaces de almacenar y transmitir cantidades importantes de agua. Por lo tanto, los acuíferos se caracterizan por poseer una permeabilidad significativa así como por una extensión y espesor considerables. Según Custodio y Llamas (1983) un acuífero, o embalse subterráneo, es “aquel estrato o formación geológica que permitiendo la circulación del agua por sus poros o grietas, hace que el hombre pueda aprovecharla en cantidades económicamente apreciables para subvenir a sus necesidades”. TIPOS DE ACUÍFEROS a. Acuíferos libres b. Acuíferos confinados c. Acuíferos semiconfinados

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LOS ACUÍFEROS LIBRES son aquellos en los que el nivel superior de saturación se encuentra a presión atmosférica. A la superficie piezométrica de un acuífero libre se le denomina superficie freática. Por esta razón, los acuíferos libres son también conocidos como “acuíferos freáticos”. Por lo tanto, la superficie freática es una superficie “real” que delimita el acuífero libre (por debajo) de la zona vadosa (por encima).

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Bloque diagrama tridimensional de un acuífero libre. El límite superior del acuífero viene dado por la posición del nivel freático. Por encima de éste, se sitúa la zona capilar que, aunque está totalmente saturada se caracteriza por contener agua a presión menor que la atmosférica.

LOS ACUÍFEROS CONFINADOS (o acuíferos cautivos) corresponden a formaciones geológicas permeables, completamente saturadas de agua, confinadas entre dos capas o estratos que podemos asumir como impermeables, ya sean acuífugos o acuicludos.

Bombeo de agua en un pozo que capta un acuífero confinado. Cuando la perforación penetra en la formación confinada, el agua asciende rápidamente por el pozo hasta alcanzar el nivel piezométrico inicial. Tras el inicio del bombeo, el agua extraída proviene de la descompresión del agua intersticial y de la consolidación del acuífero.

LOS ACUÍFEROS SEMICONFINADOS corresponden a situaciones similares a las que presentan los acuíferos confinados pero con la particularidad de que el estrato confinante corresponde a un acuitardo, en lugar de a un acuífugo o acuicludo. Por lo tanto, los acuíferos semiconfinados pueden recibir una cierta recarga, también llamada goteo, a través de la capa semipermeable que los confina.

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Esquema ilustrativo del sistema hidrogeológico de un acuífero semiconfinado. Estas formaciones acuíferas son similares a las confinadas, excepto en que las capas confinantes corresponden a acuitardos, en lugar de acuicludos o acuífugos. Por lo tanto, a través de dichas capas confinantes se puede establecer una filtración vertical muy lenta (o goteos). Por último, se habla de ACUÍFEROS COLGADOS, para hacer referencia a acumulaciones de agua subterránea de escasa continuidad lateral situadas por encima del nivel freático principal. Este tipo de acuíferos (conocidos vulgarmente como “bolsas de agua”) deberán corresponder, en sentido estricto, a alguno de los tres tipos de acuíferos citados anteriormente. Sin embargo, debido a sus pequeñas dimensiones es habitual clasificarlos por separado. Los acuíferos colgados son frecuentes en formaciones geológicas detríticas (especialmente de origen aluvial y fluvial) en las que podemos encontrarnos con depósitos (“lentejones”) de materiales poco permeables (limos y arcillas) inmersos en un material granular de mayor permeabilidad). Con cierta frecuencia, estos acuíferos colgados son los responsables de la alimentación de pequeños manantiales, los cuales, suelen presentar fuertes variaciones estacionales de caudal.

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TIPOS DE DRENAJE SUBTERRÁNEO Hay tres tipos de drenaje subterráneo: – Por zanjas cubiertas. – Tubulares sin revestimiento: drenes zapa o topo. – Tubulares revestidos: tuberías de drenaje.

Drenaje subterráneo por zanjas – Zanjas rellenas de piedras: Se abren zanjas a la profundidad adecuada y se rellenan parcialmente de piedras. Es normal completar el relleno de los 30 o 40 cm superficiales con tierra vegetal procedente, generalmente, de la excavación. – Zanjas de drenaje por fajinas: Las zanjas se rellenan con ramas o troncos de árboles o arbustos, en su parte inferior y después, se completa el relleno de la zanja con la propia tierra excavada. El principal inconveniente de este tipo de drenaje reside en la pudrición del material vegetal. – Zanjas con canalizaciones de piedras o ladrillos: En la parte inferior de la zanja se construye una canaleta cubierta de piedras planas (losas) o ladrillos. Después se rellena con la tierra extraída.

Diferentes tipos de drenaje subterráneo por zanjas OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 13

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Drenaje-topo – Con el arado topo se forman en el suelo galerías tubulares que actúan como cauces de desagüe. – La eficacia de este método depende de que las galerías se conserven durante largo tiempo sin destruirse o cerrarse ===> suelo con un mínimo de arcillas y que la labor se haga con un contenido de humedad adecuado. – Las pendientes de las galerías serán superiores al 3 %o para garantizar la salida del agua e inferior al 3% para que no se produzca erosión que destruya las galerías. – La profundidad de los drenes-topo oscila entre 40 y 80 cm, generalmente, y la distancia varía entre 3 y 5 m, según niveles de los freáticos, volúmenes de agua a evacuar y textura de los suelos. – En suelos arcillosos, la vida útil de este sistema varía entre 5 y 10 años.

Galería de drenaje y arado - topo

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Drenaje por tubos – Por la facilidad de la instalación y por los precios moderados de este sistema, se acude, cada vez más, a los drenes subterráneos tubulares. Los tubos más utilizados son de barro (arcilla), hormigón y plástico. – Se fabrican tubos de barro en diámetros de 50, 75, 100, 125 y 150 mm y longitud variable entre 30 cm y 1 m. – Los tubos se colocan alineados en la zanja sin ningún tipo de unión ya que el agua ha de penetrar en el dren por las juntas. En terrenos muy inestables, es fácil perder la alineación por lo que se recomienda utilizar en ellos los tubos más largos. – La utilización de tubos de hormigón es muy similar a la de los de barro variando solamente el material utilizado. Igual que en el caso de los tubos de barro, el agua penetra por las juntas. – Cada vez se utilizan menos los tubos de barro y de hormigón que son sustituidos por tubos de plástico. De material plástico, los tubos de cloruro de polivinilo (PVC) son los de uso más frecuente y, de ellos, pueden destacarse los siguientes tipos: – Tubos de PVC (5-6 metros) rígidos y superficie lisa para ser utilizados como colectores de evacuación. – Tubos de PVC (5-6 metros) rígidos y superficie ranurada para ser utilizadas como drenes de captación y conducción de agua (arcaduces) hasta los colectores. – Tubos de PVC ondulados, de sección circular y abovedada y superficies perforadas para ser utilizados como arcaduces.

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Tubo para drenaje de PVC, ondulado y sección circular.

Tubo para drenaje de PVC, ondulado y sección abovedada.

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CALCULO DEL DRENAJE SUBTERRANEO SISTEMAS DE DRENAJE SUBTERRANEO Un sistema de drenaje está constituido por tres componentes:

-

-

Un sistema de drenaje parcelario, que impide el encharcamiento del terreno y/o regula el nivel freático. Está constituido por drenes de parcela o laterales. Una red principal de drenaje, que trasporta el agua fuera del área agrícola. Está constituido por drenes colectores y/o principales. Una salida, que es el punto por lo que el agua drenada desagua fuera de la zona.

La función de los drenes colectores, es recoger el agua de los drenes de parcela y transportarlas a los drenes principales. Los drenes principales tienen la función de transportar el agua fuera de la zona. Es importante destacar que no siempre hay una distinción clara de las funciones de los drenes, porque los drenes colectores y de parcela tienen una misión de transporte, y todos los drenes colectores y principales también controlan en parte la profundidad del agua freática. Cuando los drenes de parcela son tubos enterrados y todos ellos descargan a un dren colector abierto, se denomina sistema de drenaje singular. OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 17

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Cuando los drenes de parcela y los drenes colectores son tubos enterrados, se denomina sistema de drenaje compuesto. En sistemas de distribución regular, los trazados de tipos de sistemas regulares tipo rejilla (laterales perpendiculares al colector) o del tipo de espina de pescado (laterales que forman ángulos agudos con el colector), son apropiados en parcelas bastante homogéneas con necesidades de drenaje mas o menos uniforme. Para drenar zonas húmedas aisladas o captar manantiales, pueden ser instalados sistemas de trazado irregular o el azar, se puede emplear combinación de tipos Las circunstancias locales determinan el sistema apropiado.

Los factores que influyen en la capa de agua freática son:

• • • • • •

La precipitación y otras fuentes de recarga. La evaporación y las descargas de otro origen. Las propiedades de los suelos. La profundidad y el espaciamiento de los drenes. La superficie de la sección transversal de los drenes. El nivel del agua en los drenes.

Este tema, se enmarca en los sistemas de drenaje parcelario. OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 18

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TIPOS DE DRENES DE UN SISTEMA DE DRENAJE Un sistema de drenaje, puede estar constituido por un sistema de drenes abiertos y/o sistema de drenes de tubería enterrada. Un sistema de drenes abiertos tiene la ventaja de que también pueden recibir la escorrentía superficial (drenaje superficial), pero tiene como principales inconvenientes la pérdida de terrenos para el cultivo, interferencia con los sistemas de riego, división del terreno en pequeñas parcelas que dificulta las labores agrícolas; así mismo el costo de mantenimiento. La principal limitación de un sistema de drenaje con tuberías es indudablemente el económico por los altos costos de instalación.

Drenes abiertos

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Drenes de tubería

PROFUNDIDAD DE LA CAPA FREÁTICA PARA CADA CULTIVO Desde un punto de vista técnico, la profundidad óptima de la capa freática es la que no ocasiona disminución en la producción de los cultivos. En muchos casos esta profundidad es antieconómica para la instalación de un sistema de drenaje y se prefiere que los rendimientos de los cultivos no alcancen el máximo a cambio de lograr un menor costo de las obras de drenaje. En este sentido, la profundidad óptima es la que origina una mayor relación beneficio/costo. A continuación a nivel de referencia, se presenta la profundidad de las raíces de los cultivos más usuales: Profundidad de las raíces (cm)

Cultivo Trigo Centeno Avena Cebada Maíz

Zona de ramificació n densa 30 50 50 70 70

Zona de ramificació n moderada 30-90 50-75 50-75 70-100 70-140

Profundida d extrema 120-150 150-225 120-150 140-150 150-180

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Sorgo Lino Algodón Girasol Remolach a azucarera Caña de azúcar Alfalfa Trébol Zanahoria Cebolla Col Coliflor Lechuga Tomate Pimiento Melón Judías Guisantes Rábanos Espinacas Patatas Fresas Melocotón Manzano Agrios Vid Olivo

65 40 70 30 30

40-60 120 30-90 30-120

75 275 150-180

70 90 90 90 60 60 30-50 20-30 60 30-45 20-30 30 30 15 25 25-30 30 90 100 75 75 100

90-180

60-90 60-90 50-90 30-120 60-90 45-90 30-90 30-75 30-75 35-60 30-100

180-275 120-245 150 90-230 90-230 90-140 230 120 120 90-120 90 90 60 105 100 90

La mayoría de pastos desarrollan un sistema radicular superficial, lo cual hace tolerantes a niveles freáticos elevados. Sin embargo, a manera de orientación se recomienda las siguientes profundidades freáticas: suelos de textura fina entre 60 y 80 cm y suelos arenosos, entre 40 y 60 cm. Los tréboles necesitan profundidades de 70 a 90 cm. En el caso de hortalizas se recomiendan las profundidades: Lechuga, fresas: 40-50 cm; cebolla, guisantes, zanahoria, col: 60 cm; judías, pimientos: 70-80 cm. Con relación a los cultivos extensivos usuales se presentan las producciones de varios cultivos en relación con la profundidad del nivel freático:

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Producción relativa (%) para diferentes profundidades del nivel freático (cm) (Van Hoorn. 1958)

Cultivo Trigo Cebada Avena Rem. Azucarera Papa

Granos, raíces y tubérculos profundidades del nivel freático (cm) 40 60 90 120 150 58 77 89 95 100 58 80 89 95 100 49 74 85 99 100 71 84 92 97 100 90 100 95 92 96

Para el maíz se recomienda una profundidad de 80 a 100 cm. La papa se desarrolla bien con profundidades de la capa freática de 40 a 50 cm.

MOVIMIENTO DEL AGUA HACIA LOS DRENES OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 22

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Cuando el agua de riego y el agua de lluvia que se distribuye sobre el terreno se prolongan durante largos períodos, el agua en exceso puede acumularse en la superficie del suelo, trayendo como consecuencia el encharcamiento. Para eliminar el agua encharcada de la superficie del terreno, se aplica el drenaje superficial. Parte del agua de riego o de lluvia que se infiltra en el suelo quedará almacenada en los poros y será utilizada por los cultivos y otra parte, se perderá por percolación profunda originando la elevación del nivel freático. Cuando el nivel freático alcanza la zona radicular, las plantas pueden sufrir daños debido al anegamiento. Para eliminar el agua en exceso de la zona radicular y las sales disueltas del suelo se utiliza el drenaje subterráneo, que permite el flujo de agua freática hacia los drenes. En muchos proyectos de irrigación debido al anegamiento y salinización de los suelos, se obtiene rendimientos muy bajos de los cultivos, trayendo como consecuencia en muchos casos, el abandono de tierras por la pérdida de toda la producción. Según información consignada de la FAO, entre el 10 al 15 % de los 25 millones de has bajo riego en el mundo, están afectadas por el anegamiento y la salinización. Según el Estudio del Perfil Ambiental del Perú, realizado por la ex Oficina Nacional de Evaluación de Recursos Naturales (ONERN), la costa peruana tiene 775,431 has de superficie cultivada, de las cuales alrededor de 306,701 has (40 %) se encuentran afectadas por problemas de salinidad, situación que generalmente es consecuencia del mal manejo de recursos hídricos e íntimamente relacionado con problemas de drenaje. Para la solución de los problemas de encharcamiento en la superficie del terreno, anegamiento del suelo y para evitar la salinización se utiliza el drenaje agrícola, que es la eliminación del exceso de agua y de sales disueltas en las capas superficiales y subterráneas del terreno por medios artificiales, de tal forma que permita prevenir la salinización de los suelos y los efectos negativos de humedad excesiva en la zona radicular de los cultivos. Como se comprende, el drenaje agrícola es uno de los rubros mas importantes que debe de tenerse en cuenta en la mayoría de las zonas bajas de los valles de la costa peruana o llanuras de la sierra y selva con

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problemas de salinidad, el cual se debe implementar o complementar en un área de riego actualmente en desarrollo o en proyectos de irrigación. El drenaje agrícola es una práctica antigua, aplicándose como generalmente como único medio las zanjas abiertas para el control de la napa freática y la acumulación excesiva del agua de la superficie del terreno por encharcamiento. El desarrollo de esta metodología fue acompañado por los conocimientos crecientes de los principios de drenaje, desde experiencias y pericias, hasta una ciencia basada en las interrelaciones complejas entre las condiciones hidrológicas, hidrogeológicas y agronómicas. En este sentido, uno de los aspectos mas importantes de competencia de la Ingeniería Agrícola y profesiones afines, es el conocimiento del diseño, operación y mantenimiento de los sistemas de riego y drenaje. El marco del desarrollo del presente Capítulo es el drenaje subterráneo, donde se plantean los principios y la aplicación de las ecuaciones que generalmente se utilizan para describir el flujo subsuperficial de agua en un sistema de drenes paralelos abiertos o tuberías, en condiciones de régimen permanente y variable. Movimiento del Agua Subterránea Hacia los drenes

CASO B

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX N. F.

h Dren Línea de flujo

CASO C N. F. OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 24

Estrato impermeable

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a) La capa freática N.F. no es una superficie plana, si no que presenta una cierta curvatura; de tal forma que en la proximidades del DREN, el agua se encuentra a mayor profundidad que el punto medio entre los drenes. En consecuencia el terreno situado sobre el DREN se encuentra mejor saneado que el resto, así como hemos salinizado; y mayor productividad. b) El movimiento del agua freática no sólo se desarrolla en la zona sobre el nivel de los drenes, si no también en la zona bajo los drenes. Este flujo de agua subterránea del drenaje extrae sales de estratos situados por debajo de los drenes. c) De encontrarse un estrato impermeable en la zona de recorrido de las líneas de flujo, éstas adoptan una forma paralela a dicho estrato.

FORMULAS DE DRENAJE OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 25

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Darcy y Dupuit en el siglo XIX, fueron los primeros en formular las ecuaciones básicas para el flujo subsuperficial de agua a través de medios porosos y aplicarla en pozos. Rothe a principios del siglo XX, aplicó estas ecuaciones a flujo subsuperficial hacia los drenes, deduciendo así la primera fórmula de drenaje. Hooghoudt, en los años treinta dio un estímulo real a un análisis racional del problema del drenaje, estudiándola en el contexto del sistema agua-suelo-planta. Desde ese entonces, científicos de todo el mundo como Childs en Inglaterra, Donnan, Luthin y Kirkham en los Estados Unidos y Ernst y Wesseling en Holanda, han contribuido hacia un perfeccionamiento adicional de este análisis racional. Los factores anteriormente mencionados, se interrelacionan por ecuaciones de drenaje que se basan en dos suposiciones:  Flujo bidimensional, es decir el flujo es el mismo en cualquier sección transversal perpendicular a los drenes  Distribución uniforme de la recarga permanente o variable, sobre el área comprendida entre los drenes. La mayoría de las ecuaciones que se presentan, se basan además en las suposiciones de Dupuit-Forchheimer, por lo que tienen que considerarse únicamente como soluciones aproximadas. Sin embargo, estas soluciones aproximadas tienen por lo general tan alto grado de exactitud, que se justifica completamente su aplicación en la práctica. Estas fórmulas se emplean fundamentalmente para el dimensionamiento de los sistemas de drenaje, ya que relacionan algunas características de diseño (espaciamiento y profundidad) con ciertas características de los suelos, clima, etc. Estas últimas características son: Conductividad hidráulica (K), espesor de los estratos, espacio poroso drenable o macroporosidad (), profundidad optima de la capa freática o ve locidad de descenso de la misma y caudal procedente de la lluvia, riego u otros orígenes. Las fórmulas de drenaje, se pueden agrupar en las dos clases siguientes:  Fórmulas de régimen permanente.  Fórmulas de régimen variable o transitorio.

ECUACIONES DE DRENAJE PARA RÉGIMEN PERMANENTE En las ecuaciones de drenaje de régimen permanente, se supone que la capa freática se encuentra estabilizada: la cantidad de agua que la alimenta es igual a la eliminada por los drenes. Tal situación correspondería al caso de una lluvia constante durante un largo periodo de tiempo. En la práctica no se da esta situación, pero sin embargo, la aplicación de las correspondientes formulas suelen dar resultados aceptables en regiones de régimen OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 26

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pluviométrico caracterizado por la regularidad de las precipitaciones y por su baja intensidad. a) Formula de Donnan Anteriormente se ha demostrado que con la llamada ecuación de Donnan (Donnan, 1946), se puede describir el flujo de agua hacia zanjas verticales, basándose en las suposiciones de flujo horizontal unidimensional, es decir, líneas de corriente horizontales y paralelas:

Parámetros de la fórmula de Donnan 2

2

4 K ( H −h ) R=q= … … … … … (1) L2

Donde: q = descarga de los drenes por unidad de superficie (m/día) R = recarga por unidad de superficie (m/día). L = espaciamiento de drenes (m). K = conductividad hidráulica del suelo (m/día) H = distancia de la napa freática en el punto medio entre los drenes hasta la capa impermeable (m). h = distancia desde la superficie del agua en la zanja o el tubo de drenaje hasta la capa impermeable (m). Como se comprende, la fórmula más sencilla para el cálculo del espaciamiento de drenes es la de Donnan cuyos puntos de partida son:

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

 

El flujo hacia los drenes es permanente. Esto quiere decir que la cantidad de agua que alimenta la napa freática en forma constante, es la misma que fluye hacia los drenes y sale por ellos sin variaciones en el tiempo. El flujo solamente es horizontal. El suelo es homogéneo hasta la capa impermeable.



Hay un sistema de drenes paralelos infinito en ambas direcciones.



La recarga es homogéneamente distribuida.

De los estudios de campo, se obtiene la conductividad hidráulica del suelo y la profundidad de la capa impermeable. Las normas de drenaje, dan la profundidad de la napa freática en el punto medio entre los drenes y la descarga de drenaje “R”. “H” se obtiene de las informaciones de campo y normas de drenaje. “h” en cambio, auque está limitado por la profundidad de la capa impermeable y en cierta forma por las normas de drenaje, depende generalmente de las condiciones de diseño del sistema, como niveles de los drenes troncales, pendientes necesarias, condiciones de construcción, etc. La fórmula será por lo tanto aplicable cuando (H- h)h. Además el perfil debe tener una conductividad hidráulica más o menos homogénea hasta la capa impermeable.

b) Formula de Hooghoudt La fórmula de Donnan, también fue deducida por Hooghoudt (1936), pudiéndose expresar la ecuación (1) como: R=q=

4 K ( H +h)( H−h) … … …(2) L2

Considerando que h=(H-h) y (H+h)=(2h+h), donde h es la altura en metros de la capa de agua sobre el nivel de los drenes en el punto medio de los drenes, es decir la carga hidráulica para el flujo subsuperficial hacia los drenes. Luego: ∆h )∆ h 2 … … … … …(3) 2 L

8 K (h+ q=

La ecuación (3), también puede representarse como:

q=

8 Kh ∆ h+ 4 K ∆ h 2 … … … … …( 4) L2

Si h = 0, se obtiene: OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 28

DRENAJE SUBTERRANEO

q=

4 K ∆ h2 … … … … …(5) L2

La ecuación (5) representa aparentemente el flujo horizontal por encima de los drenes y se le conoce como la ecuación de Rothe. Si h es grande comparado con h, se puede despreciar el segundo miembro del numerador de la ecuación (5), luego: 8 Kh ∆ h q= … … … … …(6) L2

Considerando un suelo con dos estratos cuyo límite de contacto está al nive l de los drenes, luego la ecuación (5) puede expresarse:

q=

8 K 2 h ∆ h+ 4 K 1 ∆ h L

2

2

… … … … …(7)

Donde: K1 = Conductividad Hidráulica del estrato arriba del nivel de los drenes (m/día) K2 = Conductividad Hidráulica del estrato abajo del nivel de los drenes (m/día) En este sentido, Hooghoudt (1940) desarrolló varias fórmulas. La más completa de ellas supone que el flujo no solamente es horizontal, sino que parcialmente hasta alrededor de los drenes hay flujo radial. 2

L=

8 K 2 d ( ∆ h−n ) + 4 K 1 (∆ h 2−n2 ) … … … ..(8) R

Donde: L = espaciamiento de drenes (m). h = distancia vertical entre la horizontal que pasa a nivel del fondo de los drenes y la napa freática en el punto medio entre los drenes (m). n = distancia vertical entre el fondo del dren y la napa freática sobre el dren (m). d = espesor del "estrato equivalente" (m). R = cantidad de agua que hay que drenar (m/día).

OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 29

DRENAJE SUBTERRANEO

Parámetros de la fórmula de Hooghoudt Los parámetros “n” y “d” se describen a continuación: El parámetro "n" tiene un significado diferente en el caso de drenaje con zanjas abiertas y en caso de drenaje con tubos. En el caso de zanjas, “n” es el espesor de la lámina de agua que hay sobre el fondo de la zanja cuando se está drenando la descarga normativa equivalente a R. En este caso, tanto el tamaño como el distanciamiento entre las zanjas se diseñan con la misma descarga normativa. En el caso de drenaje por tubos, “n” es teóricamente la altura de carga necesaria para la resistencia que tiene que vencer el agua para entrar en los tubos. En general, para calcular el espaciamiento de drenes, se ha supuesto que "n" es cero. Para tener en cuenta la resistencia extra causada por el flujo radial, Hooghoudt introdujo una reducción de la profundidad D0, en una profundidad equivalente más pequeña “d”, donde d< D0. En este caso, las ecuaciones (7) y (8) se transforman en: 8 K 2 d ∆ h+ 4 K 1 ∆ h2 L= … … …..( 9) R 2

La ecuación (9) es la llamada formula de Hooghoudt, aunque incompleta, es la más conocida. Calculo del Estrato Equivalente (d): Hooghoudt asume que los dos tipos de flujo, el horizontal y el radial, OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 30

DRENAJE SUBTERRANEO

pueden ser considerados asumiendo (ver gráfico adjunto): 

El flujo en la región: ro < x < x1 es radial



El flujo en la región: x1 < x < L/2 es horizontal.

Esquema del flujo parcialmente radial y horizontal según Hooghoudt Hooghoudt demostró que:

Entonces en la región (r0 - 0.7 D0) el flujo es considerado radial y la pérdida de altura de carga en esta región hr se debe calcular con una fórmula para flujo radial. En la región 0.7 D0 - L/2 el flujo es considerado horizontal y la pérdida de altura de carga en esta región hh se debe calcular con una fórmula para flujo horizontal. La idea básica es por lo tanto, considerar dos regiones de flujo específicamente delimitadas y resolverlas separadamente, para después sumar las parciales pérdidas de carga horizontal (hh) y radial (hr). Así se podría obtener la OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 31

DRENAJE SUBTERRANEO

diferencia de potencial ∆ h de la fórmula de Hooghoudt: ∆ h=∆ h h+ ∆ hr … … … … .(10) Hooghoudt sin embargo, usó un artificio para simplificar estos cálculos considerablemente. En la fórmula para flujo horizontal, remplazó la profundidad de la capa impermeable D0 por un factor "d", que es función de D 0 , L y r0 . Para calcular el estrato equivalente “d”, se puede emplear la relación que a continuación se presenta, auque es menos exacta, no necesita de tablas para su cálculo: D0 d= … … … …( 11) D0 D0 2.55 ln +1 L P P=π r 0

En esta fórmula “P” es perímetro mojado del dren, que es igual a:

Van Beers (1965), presenta un nomograma que se muestra en el Anexo Nº 1, para calcular “d” según la ecuación anterior. Así mismo, para el uso de la fórmula de Hooghoudt, se puede emplear los nomogramas preparados por Van Der Molen y Van Beers (1965). En los Anexos Nº 2 y Nº 3, se presentan los indicados ábacos: uno para distanciamientos de 5 a 25 m y otro de 10 a 100 m respectivamente. Hooghoudt también preparó un extenso juego de tablas dando valores a d, espesor del "estrato equivalente" según los valores de D o , L y r o. Es por esto que esta fórmula también se conoce como la "solución tabular de Hooghoudt". La Tabla adjunta, muestra un ejemplo de este tipo de tablas. Valores de "d" en m. según Hooghoudt para ro = 0,10 m. Esp. Drenes 2

2 1.

3 1.

4 1.

5 1.

Do (m.) 6 7

8

9

1 0

1 5

OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 32

DRENAJE SUBTERRANEO

2 35 3 4 4 5 50 6 6 75 7 85 8 9 90 1 10 1 1 13 1 25 2 5

1. 1. 51 1. 1. 1. 1. 1. 72 1. 1. 1. 78 1. 1. 80 1. 1. 1. 83 1. 1. 85 1. 1. 1. 88 1. 1. 90 1. 94

1. 1. 83 2. 2. 2. 2. 2. 29 2. 2. 2. 43 2. 2. 49 2. 2. 2. 56 2. 2. 60 2. 2. 2. 68 2. 2. 72 2. 83

2. 2. 02 2. 2. 2. 2. 2. 71 2. 2. 2. 93 3. 3. 04 3. 3. 3. 16 3. 3. 24 3. 3. 3. 39 3. 3. 46 3. 66

2. 2. 15 2. 2. 2. 3. 3. 02 3. 3. 3. 32 3. 3. 49 3. 3. 3. 67 3. 3. 78 3. 4. 4. 00 4. 4. 12 4. 43

2. 2. 22 2. 2. 3. 3. 3. 26 3. 3. 3. 66 3. 3. 85 4. 4. 4. 10 4. 4. 23 4. 4. 4. 55 4. 4. 70 5. 15

2. 2. 3. 3. 3. 3. 43 3. 3. 4. 90 4. 4. 14 4. 4. 4. 45 4. 4. 62 4. 5. 5. 03 5. 5. 22 5. 81

2. 2. 3. 3. 3. 3. 56 3. 4. 4. 08 4. 4. 38 4. 4. 4. 75 4. 5. 65 5. 5. 5. 44 5. 6. 68 6. 43

2. 3. 3. 3. 3. 66 4. 4. 4. 24 4. 4. 57 4. 5. 5. 00 5. 5. 23 5. 5. 5. 80 6. 6. 09 7. 00

3. 3. 3. 3. 74 4. 4. 4. 38 4. 4. 74 5. 5. 5. 20 5. 5. 47 5. 6. 6. 11 6. 7. 45 7. 53

3. 3. 3. 4. 84 4. 4. 4. 67 5. 5. 20 5. 5. 6. 87 6. 6. 25 6. 7. 7. 22 7. 8. 76 9. 64

c) Fórmula de Ernst La ecuación de Ernst, se utiliza en suelos con dos estratos y ofrece unas mejoras sobre las formulas anteriores, ya que el límite entre los dos estratos puede estar por encima o por debajo del nivel de los drenes. El principio fundamental de la solución de Ernst es el de considerar tres componentes en el flujo: vertical, horizontal y radial. Estos componentes dan un esquema bastante completo del sistema total de flujo que está basado directamente en la analogía entre las leyes de Darcy y Ohm. De esta forma, la carga hidráulica total será: h=hv +hh + hr Donde: hv = Resistencia al flujo vertical hh = Resistencia al flujo horizontal hr = Resistencia al flujo radial Análogamente al flujo eléctrico (Ley de 0hm) se puede definir el flujo de agua subterránea como. h q= w q = descarga del dren por unidad de área (m/día) OBRAS DE INGENIERIA DE DRENAJE 33

DRENAJE SUBTERRANEO

h = carga hidráulica total (m) w = resistencia (día) Luego: h=qwv +qw h +qwr … … … (12) Y remplazando los valores de resistencia se tendría: h=R

DV a Dr L2 L +R +R ln KV πKr u 8 ∑ (KD)h Ecuación general de Ernst.

Donde: DV = espesor de la capa en la que tiene lugar el flujo vertical (m). KV = conductividad hidráulica de la capa en la que se considera flujo vertical (m/día) ∑ ( KD)h = transmisividad de las capas de suelo en las cuales se considera flujo horizontal (m2/día) Kr = conductividad hidráulica de la capa en la que se considera flujo radial (m/día) Dr = espesor de la capa en la que tiene lugar el flujo radial (m) a = factor geométrico para flujo radial que depende de las condiciones de flujo (adimensional) anexo A u = perímetro mojado del dren (m) Consideraciones para la aplicación de la ecuación de Ernest  El flujo vertical ocurre entre el nivel freático y el fondo de los drenes, es decir:

 El flujo horizontal ocurre en todo el espesor del acuífero, luego

Sin embargo, si la barrera impermeable se encuentra muy profunda

∑ ( KD)h

tiende al infinito y la resistencia tiende a cero. Para evitar esto

se establece que el espesor bajo los drenes Do