Conceptos fundamentales sobre procesos hidrológicos: Infiltración

Conceptos fundamentales sobre procesos hidrológicos

Infiltración

Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos - Universidad de Extremadura - S - UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en IngenieríaIntroducción

History of rainfall-runoff modelling

• First rainfall-runoff model approach: by P. Perreault in 1674 - Measures of anual rainfall and runoff - Q = P/6 - Major finding in the period when it was proposed - It is worth noting that concept of computing runoff as a percentage of rainfall is still in use after 342 years !!
• Most of the historical developmental took place in the first half of the XX century - 1930's Establishment of basis of hydrology - 1940's-1950's Period of relearning and catching-up
• 1960's Digital revolution. - From event-based models to continuous models - Numerical and statistical simulations MAD S . UNIVERSIDAD DECEXTR Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 2Introducción

History of rainfall-runoff modelling (continued)

• 1970's-1980's Advances in physically-based hydrological models due to improvements of computer technologies
• From the 1990s, some of the new techniques are being applied more widely in solving engineering problems. Shaw (2004): Although many improvements of rainfall-runoff modelling appeared in the 1950s and 1960s, it is only in the last 20 years that the practicing engineer has had an access to more powerful computers, and therefore many of the advances in hydrological analysis have remained as research tools. Master en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 3Introducción

Decade of Prediction on Ungauged Basins (PUB)

Before PUB After Lack of concurrent data at multiple time/space scales

Data

Multiple open datasets, Assimilation methods Insufficent understanding of landscapes and emerging patterns

Processes

Better understanding of multi-scale spatio-temporal heterogeneity Empirical/calibration-based OR physically based

Models

Merged flexible concepts, Process- based, Systems understanding Low awareness Uncertainty & Diagnostics

Better understanding of uncertainty, Catchment signatures, Multi-model approaches Fragmented case-studies

Catchment Classification

Comparative studies, Regionalization techniques, Similarity frameworks Isolated discipline, Lack of understanding of organizing principles at various scales

New Theories

Interdisciplinarity, Co-evolution, Systems approach 2000 2010 Reference and recommended reading: Hrachowitz, M. et al., 20 Master en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 4 00 1 UNIVERSIDAD DEÇEXTREMADI

Future of rainfall-runoff modelling ideas

New observation techniques,Introducción ideas, ….) ) · Integration of ecosystems and ecology, environmental components, biosystems, geochemistry, atmospheric sciences, and coastal processes with hydrology · Development of concepts as catchment co-evolution, improving predictions of hydrological change (Recommended reading: Troch et al (2015)) · Use of new techonologies: - Collecting data from unmanned aerial vehicle (UAV), commonly called drone, combined with LiDAR technology or IR - Use of stable isotopes to quantify water quality or fiber optic to measure temperatures and pressures 00 UNIVERSIDAD DE EXTREMAD - - ... Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 5Introducción

Future of rainfall-runoff modelling (continued)

ideas, ) · New field studies and new horizons 80 0 10 20 90°N Model-based papers 80°N -O- Field-based papers 70°N 60°N 50°N 40°N 30°N 20°N 10°N 0° 10°S 20°S 30°S 40°S 50°S 60°S 70°S 80°S 90°S Percentage of published runoff papers 60 1 40 20 00 1930s 1940s 1950s 1960s 1970s 1980s 1990s 2000s 2010s Figures from: Burt, T.P., McDonnell, J.J., (2015) Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 6 UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA

Rainfall-Runoff in Civil Engineering

Decade BIntroduction Water resources planning and design Foundations and geotechnical design and analysis Environmenta l engineering design and analysis Rainfall- Runoff in Civil Engineerin g Transportatio n planning and design Site development and assessment UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA Infrastructure engineering and design . - Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 7Introducción

Ley de Darcy

• K = hydraulic conductivity
• q = specific discharge
• V = q/n = average velocity through the area Q = - KA Ah L down - hup MADUR q Q A =- K Oh q =- K Ôz = L JULIO S UNIVERSIDAD DE EXTR - Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en IngenieríaIntroducción

Richard's Equation

• Renombramos - Darcy's Eq - Presión Total qz =- K Oh ÔZ h= Y+z
• Transformación Darcy qz =- K o(Y+z) Ôz qz =- K - K ÔZ D =K 00 =- K ∂ Ψ 00 Oz + K Soil water diffusivity -D 00 ÔZ + K
• Eq. Continuidad ∂ − = Oz aq= 2(D00 Oz z 00 D-+K ôt Master en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en IngenieríaIntroducción

Numerical solution of the variably saturated flow equation

Solving Richards' equation based on an implicit, finite difference scheme with explicit linearization of K and C C j+1,p-1 j+1,p Δtj Ahi-1 AZi 1(h¿ i-(1/2) j+1,p = - Ah{* Azu j+1,p - h+1,p-1) + 0/+1,p-1 - 0į Ahi j+1,p - KỈ i-(1/2) - KỶ_(1/2) - Kİ i+(1/2) j+1,p AZI - Ah, i+1 / i+(1/2) Soil constitutive model: Modified Mualem-Van Genuchten 0 (h) = (Or + (1 + |ah|n)m Om - Or h < hs h > hs K(Se) = KsSe 0.5 5|1-(1 - S 1/m) Ks h <hs h > hs UNIVERSIDADES Om = Or + (05 - Or) (1 + |ah|2)m . - RADU m12 00 04/04/2022er en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 10Introducción

Humedad del suelo en diferentes posiciones

Ltotal Ev. Humedad Pos2% Ltotal Ev. Humedad Pos10% Ltotal Ev. Humedad Pos20% Ltotal Ev. Humedad Pos30% Ltotal Ev. Humedad Pos40% Ltotal Ev. Humedad Pos50% Ltotal 100 100 100 100 100 100 95 95 95 95 95 95 90 90 90 90 90 Humedad 85 8 80 80 80 80 80 75 75 75 75 75 70 70 70 70 70 70 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 Tiempo Tiempo Tiempo Tiempo Tiempo Tiempo Soil type: Silty clay Loam Humedad 85 Humedad 85 85 Humedad 85 Humedad 85 S 75 UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA 11 HumedadIntroducción

Soil moisture [om om-3]

100 0.46 0.45 80 0.44 70 0.43 60 Depth [om] 0.42 50 0.41 40 0.4 30 10.39 20 F 0.38 10 0.37 20 40 60 80 100 120 140 Iteration [num] - UNIVERSIDAD DEEXTREMADURA 8 04/04/2022er en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 12Introducción

La infiltración y sus factores

La infiltración es el proceso de incorporación en el suelo del agua aportada desde la superficie. Los factores que afectan son: θ · Características de la superficie del suelo

• Cobertura vegetal · Características del suelo. · Conductividad hidráulica · Grado de humedad inicial del sucio Las zonas existentes son: · Zona saturada · Zona de transición · Zona de transmisión · Frente de humedad Saturation Zone Transition Zone Transmission Zone Wetting Zone Wetting Front depth Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 13Introducción

Cuantificación de la infiltración: Mediciones de campo

Anillo simple Doble anillo UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA http://en.wikipedia.org/wiki/Infiltrometer . - Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 14Introducción

Infiltration: definition and models

Infiltration: process of incorporation of precipitation from the surface to the soil. Currently evaluated by infiltration models. Philip (1969) Physic-based models Green-Ampt (1911) Semi-empiric models Holtan (1961) Infiltration models Horton (1983) Conceptual models Kostianov (1938) JULIO S NRCS CN (1956) UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA Master en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 15Método de Green-Ampt

Método de Green-Ampt

Es un método de infiltración desarrollado desde una aproximación teórica de una solución exacta. Basado en la ley de Darcy Seguimiento del frente de humedad en el suelo de la cuenca. Modelación del frente de avance la humedad. 1 1 0 Zona Húmeda (Conductividad K) , L Frente de humedecimiento ℮, ΔΘ - η 4 Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 16Método de Green-Ampt

Hipótesis adoptadas en el método de Green-Ampt

40 = incremento de humedad en el suelo a medida que avanza el frente de humedad = succión en el frente de humedad L = profundidad del frente saturación K = conductividad del frente de saturación ho = calado acumulado en superficie ho Ponded Water Ground Surface θ Wetted Zone L Conductivity, K Wetting Front ψ i 10 DO n S . - UNIVERSIDAD DEEXTREMADURA z Dry Soil Master en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 17Método de Green-Ampt

Contenido de humedad y porosidad

0 = contenido en humedad en el suelo (volumen de agua/volumen total de suentenido inicial de l humedad del suelo seco antes de que empiece la infiltración 40 = incremento del contenido de humedad a medida que avanza el frente de humedad 0 r = contenido residual de humedad para suelos muy secos e = porosidad efectiva n = porosidad n = Or+ n = 0it Hipótesis adoptadas Ground Surface θ Wetted Zone 0 θ e e L r Wetting Front 10 MADUR n S . UNIVERSIDAD DEEXTR z Dry Soil Oe e Máster en Ing. de aminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 18Método de Green-Ampt

Parámetros del método de Green-Ampt por clase de suelo

Porosidad Porosidad efectiva Potencial de succión del frente húmedo Conductividad Hidráulica Clase de suelo 0€ cm K cm/h 0,437 0,417 4,95 Arena (0,374-0,500) (0,354-0,480) (0,97-25,36) 0,437 0,401 6,13 Arena margosa (0,363-0,506) (0,329-0,473) (1,35-27,36) 0,453 0,412 11,01 Marga arenosa (0,351-0,555) (0,283-0,541) (2,67-45,47) 0,463 0,434 8,89 Marga (0,375-0,551) (0,334-0,534) (1,33-59,38) Marga limosa (0,420-0,582) 0,398 0,330 21,85 Marga arcillo-arenosa (0,332-0,464) (0,235-0,425) (4,42-108,0) Marga arcillosa (0,409-0,519) 0,471 0.432 27,30 Marga arcillo-limoso (0,418-0,524) (0,347-0,517) (5,67-131,50) Arcilla arenosa (0,370-0,490) (0,207-0,435) (4,08-140,2) Arcilla limosa (0,425-0,533) (0,334-0,512) (6,13-139,4) 0,475 0,385 31,63 Arcilla (0,427-0,523) (0,269-0,501) (6,39-156,5) 0,03 Máster en Ing. de Caminos, Canales y Puertos Modelización en Ingeniería 19 UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA 0,10 (0,279-0,501) (4,79-91,10) 0,10 0,430 0,321 23,90 0,06 0,479 0,423 29,22 0,05 0,501 0,486 16,68 0,65 (0,394-0,578) (2,92-95,39) 0,15 0,464 0,309 20,88 11,78 2,99 1,09 0,34