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

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).