Daniel Luna-Sáez

Christian Sánchez-Reyes
José Muñoz-Pardo

Pontificia Universidad Católica de Chile

Se comparan los métodos del doble anillo, pozo de nivel constante, tensioinfiltrómetro y pozo
de nivel variable, para estimar la conductividad hidráulica saturada de campo, Los valores de
de los tres primeros métodos, estimados a partir de las expresiones analíticas, se comparan
con el valor de la conductividad hidráulica saturada usada para resolver la ecuación de Richards,
obteniéndose que los métodos del pozo de nivel constante y del tensioinfiltrómetro entregan los
mejores ajustes. Además, se realizan pruebas de infiltración en terreno para estimar en suelos
no uniformes y anisotrópicos. Los métodos del pozo de nivel constante y del tensioinfiltrómetro
entregan resultados similares, mientras que el método de doble anillo entrega los valores mas
altos y presenta muchos problemas en su implementación. Por su parte, el método del pozo de
nivel variable, aunque es el más simple de implementary el que permite realizar un mayor número
de mediciones en paralelo, sobreestima el valor de

Palabras clave: conductividad hidráulica, infiltración, técnicas, métodos.

Introducción principal entre los métodos de laboratorio y de campo

radica en que en el laboratorio la muestra se satura
Las obras de infiltración de agua de lluvia (pozos, completamente; en cambio, en el campo, esto no es
zanjas, lagunas, etcétera) constituyen herramientas posible y sólo se logra su saturación en una pequeña
cada vez mas utilizadas para reducir y controlar los región adyacente a la fuente de infiltración (Klute, 1986).
escurrimientos e inundaciones en zonas urbanas, los Además, en el campo, el agua infiltrada va desplazando
cuales han aumentado en forma significativa en los y atrapando aire entre los poros del suelo, provocando
Últimos años en las principales ciudades de Chile. una resistencia adicional al flujo de agua (Gupta et
La conductividad hidráulica saturada del suelo es al., 1993), mientras que en el laboratorio, la muestra
una propiedad clave en la descripción de los procesos se satura desde abajo hacia arriba eliminando el aire
de infiltración y redistribución del agua en el suelo, atrapado.
motivo por el cual su conocimiento es esencial para La conductividad hidráulica saturada depende de la
el diseño de obras de infiltración (Herath y Musiake, estructura del suelo, por lo tanto, la estimación a través
1987). Esta propiedad puede ser estimada a través de métodos de laboratorio sólo será representativa
de métodos de laboratorio o a través de métodos de cuando se puedan extraer muestras inalteradas del
campo. Para diferenciar ambos métodos, tal como lo terreno. Si una muestra es manipulada en el laboratorio,
hacen otros autores (Gupta et al., 1993; Reynolds et al., el valor obtenido no tiene representatividad alguna
1983), a la conductividad hidráulica saturada obtenida respecto al valor del terreno (García-Sinovas et al.,
en el laboratorio se le denomina y a la obtenida en 2002). Para la determinación de se han propuesto
el terreno o campo se le denomina La diferencia una gran variedad de métodos (Kessler y Oosterbaan,
1977; Ankenyetal., 1991; Klute, 1986; Maidment, 1992),
los que en general entregan resultados diferentes, ya
que se basan en distintas hipótesis de flujo. El objetivo
del trabajo es evaluar cuatro métodos de campo Donde es el primer término de una serie infinita
disponibles (infiltrómetro de doble anillo; pozo de nivel que representa el proceso de infiltración, y y
constante o permeámetrode Guelph; pozo de nivel representan el contenido de humedad inicial y final
variable o Porchet, y tensioinfiltrómetro) para determinar del suelo, respectivamente, A medida que t tiende a
en suelos anisotrópicos, buscando una estimación f(t) tiende a lo que indica que el suelo se satura
confiable y de fácil ejecución para el diseño de obras de completamente y el gradiente de energía es unitario,
infiltración en urbanizaciones.

Materiales y métodos Método del pozo de nivel constante

Métodos de campo para determinar la conductividad El método consiste en excavar un agujero cilíndrico, de
hidráulica saturada radio y profundidad fija, en el cual se realizan ensayos
de infiltración manteniendo la altura de agua y el caudal
Los métodos analizados en este trabajo, cuyos constante. Para mantener el nivel constante se utiliza
esquemas se presentan en la ilustración 1 , están el principio de Mariotte (ilustración 1) y el equipo más
basados en diferentes hipótesis y aproximaciones. usado es conocido como permeámetro de Guelph
Dentro de las hipótesis comunes se considera que (Reynolds et al., 1985).
el medio poroso es rígido, semi infinito, homogéneo, Para obtener el valor de las mediciones de altura y
isotrópico y es válida la ley de Darcy. caudal se ajustan con un modelo teórico que representa
el funcionamiento del pozo de infiltración. En este trabajo
Método del infiltrómetro de doble anillo o ensayo de utilizaremos el modelo analítico propuesto por Reynolds
cilindros concéntricos et al. (1985) [RyE] (otros modelos analíticos se pueden
encontrar en Reynolds et al., 1983), que se obtiene al
El método consiste en hincar en el suelo (0.05m) dos anillos aplicar la ley de Darcy en un medio porosono saturado,
concéntricos sin alterar el terreno, mantener una altura de expresandoel caudal total (Q) infiltrado desde un pozo
agua constante de al menos 0.03 m en ambos anillos sobre de radio R y altura de agua H como la suma de tres
el suelo y medir la cantidad de agua que es necesaria flujos: flujo a través de las paredes del pozo inducido por
entregar al cilindro interior para mantener dicha carga, El el gradiente radial de presión, flujo a través de la base
anillo exterior sirve para asegurar que el agua que se infiltra del pozo inducido por el gradiente vertical de presión y
por el cilindro interior tenga un flujo preferentementevertical flujo gravitacional a través de la base del pozo. El flujo
cuando existen problemas para hincar los cilindros (Gupta total que se infiltra en el suelo desde el pozo
etal., 1993; Klute, 1986) (ilustración1). se expresa como:
El proceso de infiltración vertical se puede expresar con
base en la soluciónsemi-analítica de la ecuaciónde Richards
propuesta por Philip (1957), que describe la infiltración
acumulada en el suelo F(t) [L] en un tiempo t como:

donde C es un factor de forma definido por Reynolds et

al. (1983) como:
de donde se obtiene la tasa de infiltración f(t)
como:

donde es la conductividad hidráulica saturada vertical

y S es un parámetro denominado sortividad capilar y es un parámetro que caracteriza el efecto de
el cual es una función de la succión del suelo, la zona no saturada del suelo que rodea al pozo (ver
definida como: ecuación (8)).
 En su forma original, Reynolds et al. (1985) lo que físicamente es imposible. Para evitar este
proponen un sistema de ecuaciones a partir de los problema, Elrick y Reynolds (1992) sugieren
datos de un ensayo de infiltración para encontrar algunos valores típicos de dicho parámetro para
las dos incógnitas y a*.Sin embargo, en muchos distintas categorías de suelos, que se muestran en
casos el valor que se obtiene de es negativo, el cuadro 1.
Método del pozo de nivel variable y utilizando la expresión para la conductividad hidráulica no
saturada propuesta por Gardner (1958),dada por:
Este método, conocido también como método de
Porchet (Kessler y Oosterbaan, 1977), consiste en un
agujero cilíndrico de radio R y profundidad constante, en
el cual se mide el descenso del nivel del agua dentro del con:
pozo a través del tiempo (ilustración 1).
Considerando que el terreno adyacente al pozo
está completamente saturado, que el agua se infiltra
a través de las paredes y del fondo del pozo, y que el se expresa el caudal infiltrado en función de las tensiones
flujo se debe sólo al efecto de la gravedad (Kessler y
Oosterbaan, 1977; Reynolds et al., 1983), se obtiene la
siguiente expresión para

donde H, y son las alturas de agua en el pozo [L] en

los instantes t, y respectivamente.
de donde se obtiene al dividir ambas ecuaciones
Método del tensioinfiltrómetro como:

El infiltrómetro de tensión o tensioinfiltrómetro es un

instrumento que permite determinar valores de la
conductividad hidráulica no saturada para diferentes
valores de presión capilar o tensión del suelo, [L] (entre
cm dependiendo del equipo), aplicada en la
superficie del suelo. Cuando la tensión se hace tender Una vez conocido y se calcula
a cero, es posible estimar la conductividad hidráulica Y a partir de la ecuación (9) o (10) se obtiene
saturada El infiltrómetro de tensión (ilustración 1) Las ecuaciones (9), (10) y (11) corresponden a un
consta de una columna grande o reservorio de agua, procedimiento particular para procesar los datos de un
una columna más pequeña (tubo Mariotte) que permite ensayo con el tensioinfiltrómetro propuesto por Ankeny
mantener la tensión constante y un disco de radio r que et al. (1991). Otros procedimientos O modelos analíticos
entra en contacto con el suelo a través de una membrana se pueden encontrar en Reynolds y Elrick (1991).
de nylon porosa por donde se infiltra el agua al suelo a En resumen, a través de los métodos pozo de nivel
una tensión constante conocida. constante, pozo de nivel variable y tensioinfiltrómetro, se
Básandose en la aproximación propuesta por obtiene que representa la conductividad hidráulica
Wooding (1968), el caudal infiltrado se expresa como: saturada obtenida en el bulbo adyacente al pozo o
disco de infiltración, considerando tanto su componente
vertical como horizontal; en cambio, a través del
método del doble anillo sólo se obtiene la conductividad
hidráulica saturada vertical
Modelo numérico para la infiltración en un suelo no Solución numérica
saturado
Se utiliza la solución numérica de la ecuación de
Los distintos métodos de campo para determinar se Richards dada por el programa Hydrus 2D (Simunek et
evalúan comparándolos con una solución numérica de la al., 1999) para simular el flujo a través del tiempo en los
ecuación de Richards, lo que permite, además, obtener métodos del doble anillo, del pozo de nivel constante y
algunos datos Útiles para las experiencias de terreno, así del tensioinfiltrómetro. No fue posible simular el método
como el tiempo necesario para conseguir la saturación del pozo del nivel variable dado que el programa no
del suelo. La ecuación de Richards (1931), expresada en permite considerar las condiciones de borde de este
coordenadas cilíndricas, se escribe como: método. La simulación se efectúa para diferentes tipos
de suelos cuyas características son conocidas y como
resultado se obtiene el caudal de infiltración para una
condición de equilibrio (definida cuando la variación del
caudal infiltrado es despreciable en el tiempo) para una
altura de agua en el caso del pozo de nivel constante
donde es la capacidad capilar [1/L] definida y doble anillo, o una tensión para el método del
como es el contenido de humedad del suelo tensioinfiltrómetro.
t, el tiempo transcurrido [T];r, la distancia radial Utilizando estos resultados se aplican los modelos
desde el eje del pozo [L], y z es la distancia medida en analíticos que describen cada método y se obtiene el
forma positiva desde la superficie del suelo hacia abajo valor de el cual se compara con el valor de asignado
[L]. Esta ecuación se puede resolver numéricamente en la solución numérica de la ecuación de Richards, lo
considerando las siguientes expresiones para repre- que permite evaluar la consistencia de cada método y su
sentar las curvas características del suelo: modelo analítico asociado. Aunque este procedimiento
ya ha sido efectuado por varios autores (Reynolds y
a) La conductividad hidráulica no saturada (van Elrick, 1991; Elrick y Reynolds, 1986), obteniéndose muy
Genuchten, 1980) como: buenos ajustes tanto para el método del pozo de nivel
constante como para el tensioinfiltrómetro, resulta útil, ya
que se obtienen además algunos factores como son el
tiempo necesario para conseguir el régimen permanente
y un orden de magnitud de los caudales a infiltrar, sobre
todo para la prueba de nivel constante antes de iniciar
las campañas de terreno.
En todas las simulaciones se consideró un suelo
homogéneo, isotrópico y un dominio lo suficientemente
donde es el inverso de la presión de entrada de ancho para que sus bordes no alteren el flujo, y se supuso
aire (1/L); n y m, parámetros adimensionales; la inicialmente una tensión m en todo el dominio,
conductividad hidráulica saturada del suelo, y / es cuyas condiciones de borde asignadas a cada método se
un parámetro de conectividad de poros definido por presentan en la ilustración 2. Se efectuaron simulaciones
Mualem (1976) igual a 0.5 para la mayoría de los suelos para cuatro tipos de suelos, cuyos parámetros n, l, u,
y m=1-1/n. se presentan en el cuadro 2.

b) El contenido de humedad del suelo en función de Ensayos de campo

la presión capilar del agua denominada curva de
succión (van Genuchten, 1980) como: Se evalúan los cuatro métodos en dos suelos naturales,
estimándose en varios puntos, y se comparan los
resultados.
La primera experiencia se realizó en una zona
denominada sector 1, que corresponde a un terreno
natural franco arenoso fino (según la clasificación del
donde es el contenido de humedad residual USDA) de seis hectáreas de superficie, que se dividió en
volumétrico y es el contenido de humedad secciones rectangulares de igual área, fijando el punto
saturado volumétrico de medición en el centro de esta subregión, tal como se
muestra en la ilustración 3a. Se realizaron ocho puntos superficie. En este terreno las mediciones se realizaron
de medición en mayo de 2003 en I1, I2, I4, I6, I11, I14, en tres puntos: CD1, CD2 y CD3, en abril de 2003.
I16, I20, y uno en marzo de 2003 en I17. El procedimiento utilizado fue excavar una calicata
La segunda experiencia se realizó en una zona de 1.0x 1.0m de base y una profundidad variable hasta
denominada sector 2, que corresponde a un terreno alcanzar el suelo natural, eliminando el material de relleno
natural franco arenoso grueso de 16 hectáreas de o capa de arcilla superficial típica de algunos sectores
de la ciudad de Santiago hasta llegar al estrato de suelo Resultados y discusión
que se deseaba analizar, que es el suelo granular típico
de esta zona de la cuenca de Santiago, cuyo espesor Simulaciónnumérica
es considerable. Primero se utilizaron los métodos no
destructivos, es decir, el tensioinfiltrómetro y el doble Método del doble anillo: se simuló la infiltración en un
anillo, luego se excavó un pozo para realizar la prueba anillo interno de 0.3 m de diámetro con 0.03 Y 0.08
de nivel constante y, finalmente, la prueba de nivel m de carga para los distintos tipos de suelos, cuyos
variable. El material que se retiró de esta excavación se resultados se muestran en la ilustración 4, donde se
sometió a un análisis granulométrico, cuyos resultados observa que la tasa de infiltración ( f ) alcanza un valor
se presentan en la ilustración 3b. Para la prueba de nivel constante en el tiempo distinto para ambas cargas,
constante, dada la granulometría del terreno, se asignó obteniéndose siempre un valor superior al de
(1/m), según el cuadro 1, a pesar de que en la asignado a cada suelo. Para una altura de 0.03 m sobre
prueba del tensioinfiltrómetro se obtuvo en promedio un el fondo, la relación es 2.27, y para una altura de
valor de (1/m). 0.08 m la relación es 3.06 para los cuatro tipos de
Aunque no es correcto comparar la prueba del doble suelos. Por lo tanto, a través de esta prueba se obtienen
anillo con las otras, ya que sólo mide la conductividad distintos valores de variables según el nivel de agua
hidráulica vertical, se incluye en este estudio para saber que se imponga en los anillos (Klute, 1986).
si tiene alguna relación con los otros métodos, si es Método del pozo de nivel constante: se simuló la
aplicable a este tipo de suelo y, además, porque es uno infiltración en un pozo cilíndrico de 0.6 m de diámetro
de los métodos recomendados en la literatura chilena con alturas de agua de 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 y 0.5 m. En
(MINVU, 1996). la ilustración 5a se presenta el caudal infiltrado en el
tiempo para los distintos suelos, donde se observa que De la simulación numérica, tal como se ha efectuado
el periodo necesario para lograr el régimen permanente anteriormente (Reynolds y Elrick, 1991; Elrick y
varía entre una y dos horas. Para estimar se asume Reynolds, 1986), se concluye que los métodos de pozo
un valor de igual a 12 [1/m] para los tres suelos más de nivel constante y tensioinfiltrómetro son adecuados
permeables, y de 4 [1/m]para el suelo franco (según la para estimar ya que ambos incorporan el efecto
clasificación del USDA). de la zona no saturada, lo que les otorga una mayor
Los valores de obtenidos para los diversos tipos representatividad de la realidad; por el contrario, el
de suelo y para diferentes alturas de agua se muestran método del doble anillo tiende a sobreestimar dicho
en la ilustración 5b, donde se observa que el modelo valor.
de Reynolds y Elrick (RyE) ajusta satisfactoriamente
a para alturas de agua superiores a 0.3 m, salvo en el Ensayos de campo
suelo arenoso.
Método del tensioinfiltrómetro: se simuló el Los resultados de obtenidos en estas experiencias se
funcionamiento del equipo de 0.1 m de radio con presentan en el cuadro 4. Para el sector 1 se presentan
presiones capilares de -0.01 y -0.003 m. En el cuadro algunos parámetros estadísticos que permiten comparar
3 se presentan los caudales obtenidos en régimen los resultados entre los distintos puntos para un mismo
permanente para las distintas presiones capilares y método.
el respectivo valor de obtenido, observándose un Se observa que la prueba de doble anillo entrega los
excelente ajuste entre y valores de más altos en cada punto y en el sector
Varios autores (Casanova e l al., 2000; Logsdon, 1 presenta el promedio, la desviación estándar y el
1997) postulan que el tiempo para lograr el régimen coeficiente de variación más altos de todos los métodos.
permanente en pruebas de infiltración puede ser bastante Los métodos del pozo de nivel constante utilizando el
considerable, pero a través de la simulación realizada modelo de Reynolds y Elrick, y del tensioinfiltrómetro
(ilustración 6) se puede advertir que después de unos son los que presentan los valores de más bajos. La
diez o veinte minutos esta variación es muy leve. prueba de pozo de nivel variable en el sector 1 presenta
una varianza muy alta en comparación con las otras y
siempre está sobre el promedio.
En la ilustración 7a se observa que, en promedio, los
métodos de pozo de nivel constante y tensioinfiltrómetro
son similares. En la ilustración 7b se comparan los
valores obtenidos en cada punto por cada uno de estos
métodos y se observa que ambos son coherentes.
En la ilustración 7c se observa que el método de
pozo de nivel variable sobreestima en comparación
con los resultados obtenidos con el método del pozo de
nivel constante.
En la prueba del doble anillo se presentaron
dificultades para hincar los cilindros debido a la
presencia de gravas y se debieron colocar anillos de
arcilla para sellarlos, con lo cual se redujo el área por
donde se infiltraba el agua, disminución que llegó a ser
bastante importante en algunos casos.
En los métodos del doble anillo del pozo de nivel
constante y del pozo de nivel variable es necesario
saturar el suelo; por lo tanto, se requiere utilizar mucha
agua. De acuerdo con las experiencias de terreno, el
tiempo estimado para lograr la saturación y estabilizar
el caudal infiltrado es de tres horas, aproximadamente,
para este tipo de suelos.
Para la prueba del tensioinfiltrómetro, en el terreno
se observó que el tiempo que demora el régimen
en estabilizarse depende de la presión capilar
mientras menor sea, mayor es el tiempo requerido Conclusiones
para su estabilización. En general se observa que con
$=-0.03 m, el tiempo de medición necesario es de Los resultados de la simulación y de las experiencias
treinta minutos, y con m, el tiempo disminuye de terreno obtenidas con el método del pozo de nivel
a 15 minutos, y con $=-0.003 m, el tiempo utilizado en constante a través del modelo de Reynolds y Elrick, y
medir es de diez minutos. con el tensioinfiltrómetro entregan valores similares.

El tensioinfiltrómetro es un método muy rápido y

de fácil utilización. Sin embargo, dado que el bulbo de
infiltración es pequeño, en muchos casos no entrega un
valor tan representativo como lo hace la prueba de
nivel constante. Este problema se puede remediar al
realizar mediciones con el tensioinfiltrómetro a varias
profundidades.
El método del doble anillo es poco preciso, con grandes
variaciones en sus resultados y además poco maniobrable.
Con base en los resultados de la simulación numérica se
determinó que esta prueba sobreestima y por ello no es GARCíA-SINOVAS, D., REGALADO, C., MUÑOZ-CARPENA,R.
extraño que en el terreno se obtengan los resultados más y ÁLVAREZ-BENEDí,J. Comparación de los permeámetros
altos en varios puntos. Es importante mencionar que este de guelph y philip-dunne para la estimación de la
método no es adecuado para suelos con presencia de conductividad hidráulica saturada del suelo. Temas de
piedras o gravas, ya que es imposible hincar los cilindros, investigación en zona no saturada. Lóez, J.J. y Quemada,
con lo cual es muy difícil controlar el flujo de agua. M. (editores). [en línea]. Consultada en noviembre de
El método de pozo de nivel variable o Porchet tiene 2002. http://www.unavarra.es/directo/congresos/apoyo/
la ventaja de ser muy rápido y fácil de implementar, pero jzns/9.pdf.
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Los autores expresan su agradecimiento al gobierno de Chile, que KESSLER, J. y OOSTERBAAN, R. Principios y aplicaciones del
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Sistemasestandarizados de drenajede aguas lluvias en urbanizaciones KLUTE, A. Methods of Soil analysis. Part 1-Physical and
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Abstract

LUNA-SÁEZ, D., SÁNCHEZ-REYES,C. & MUÑOZ-PARDO,J. Methods for measuring field-saturated hydraulic
conductivity. Hydraulic engineering in Mexico (in Spanish). Vol. XX, no. 2, April-June, 2005, pp. 95-107.

Double-ring infiltrometer, constant-head well permeameter, tension infiltrometer, and Porchet methods are
compared to determine field-saturated hydraulic conductivity, values of steady-state methods, which
were calculated with analytical functions, are compared with saturated hydraulic conductivity, which is used to
solve the Richards equation. lnfiltration tests are carried out to estimate in natural soils, where the constant-
head well permeameter method and the tension infiltrometer method show similar results, whereas the double-
ring method exhibits high values and severa1 installation problems. Even though the Porchet method is the
easiest and cheapest method, it overestimates the value.

Keywords: hydraulic conductivity, infiltration, techniques, methods.

Dirección institucional de los autores:

M. en C. Daniel René Luna-Sáez

Pontificia Universidad Católica de Chile,

Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental,
Casilla 14 Batuco, Santiago-Chile,
teléfono: 56 2 7331 880,
dluna@puc.cl

M. en C. Christian Sánchez-Reyes

Pontificia Universidad Católica de Chile,

Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental,
Vicuña Mackenna 4860, Código Postal 6904411, Santiago-Chile,
teléfono: 56 2 354 4873, fax: 56 2 354 5876,
csancher@puc.cl

Dr. José Francisco Muñoz-Pardo

Profesor titular, Jefe de Departamento,

Pontificia Universidad Católica de Chile,
Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental,
Vicuria Mackenna 4860, Código Postal 6904411 , Santiago-Chile,
teléfono: 56 2 354 4873, fax: 56 2 354 5876,
jfmunoz@ing.puc.cl