Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (USLE) y RUSLE
La Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (USLE), y su versión revisada (RUSLE), es un modelo empírico utilizado para estimar las tasas de pérdida de suelo anuales para un período largo de tiempo en laderas.
A = R · K · L · S · C · P
- A (Pérdida de suelo): Representa la cantidad de suelo perdido por unidad de superficie (Mg/ha).
- R (Factor Erosividad de la lluvia): Estima la capacidad de la lluvia y el escurrimiento asociado de producir erosión. Se calcula como el producto de la energía cinética por la máxima intensidad de la lluvia en 30 minutos (MJ/ha/año).
- K (Factor Erodabilidad del suelo): Indica la susceptibilidad o vulnerabilidad del suelo a sufrir erosión. Es la cantidad promedio de suelo perdido por unidad del factor R en condiciones estándar (Mg·hr / MJ·cm).
- L (Factor Longitud de la pendiente): Es la relación entre la erosión con una longitud de pendiente dada y la que ocurre en una parcela estándar de 22,1 metros. Al ser una relación, es un valor adimensional (proporción).
- S (Factor Inclinación de la pendiente): Es la relación entre la erosión con una inclinación de pendiente determinada y la que ocurre en el estándar de 9% de inclinación. Es un valor adimensional (proporción).
- C (Factor Uso y Manejo): Es la relación de pérdidas entre un suelo con un determinado uso y manejo y el mismo suelo desnudo (testigo). Se ve afectado por la cobertura vegetal, la biomasa de raíces y la rugosidad. Es un valor adimensional (estándar).
- P (Factor Prácticas Mecánicas): Es la relación entre la erosión que ocurre con una práctica mecánica de apoyo (como el laboreo en contorno) y la que ocurre con el laboreo a favor de la pendiente (condición estándar). Es un valor adimensional (proporción).
El valor (A) se compara habitualmente con el valor T (pérdida de suelo tolerable), que es la máxima tasa de erosión que permite mantener la productividad del cultivo de forma económicamente viable.
Relación de Pérdida de Suelo (RPS)
La RPS (Relación de Pérdida de Suelo) es un subfactor del Factor C (Uso y Manejo) de la USLE. Representa la relación entre la pérdida de suelo que ocurre bajo un manejo específico en un momento determinado y la que ocurriría en un suelo estándar (suelo desnudo y en barbecho). Su valor se calcula multiplicando cinco subfactores:
- CS: Cobertura del suelo por residuos.
- CPA: Cobertura por la canopia (parte aérea del cultivo).
- R: Rugosidad superficial al azar.
- UP: Contenido de biomasa en descomposición en los primeros 10 cm.
- CA: Contenido de agua en el suelo.
Hidrología Aplicada al Diseño de Obras
Tiempo de Concentración (Tc)
El tiempo de concentración (Tc) es el tiempo que tarda una gota de agua caída en el punto más alejado de una cuenca en viajar hasta la salida de la misma. Es el momento crítico en el cual toda la superficie de la cuenca comienza a contribuir simultáneamente al flujo en el punto de salida. En el diseño de estructuras de conducción de agua, como los desagües empastados, el tiempo de concentración es utilizado para el cálculo de la capacidad del desagüe mediante el método racional. Un tiempo de concentración corto indica que el agua de lluvia llega rápidamente al desagüe, lo que requiere una mayor capacidad de evacuación.
Tiempo de Retorno (T)
El tiempo de retorno (T) es el intervalo de recurrencia promedio entre eventos con una magnitud dada, que igualan o exceden dicha magnitud. Se define por la relación entre T (periodo de retorno en años) y P (probabilidad anual de ocurrencia %) mediante la fórmula: T = 100 * (1/P). Su elección es fundamental en el diseño de un desagüe empastado porque determina la tormenta de diseño y el caudal que deberá transportar la obra. Períodos de retorno bajos generan desagües más económicos pero con mayor riesgo de falla, mientras que períodos más altos aumentan la seguridad hidráulica pero también los costos de construcción. Por lo tanto, su selección debe equilibrar seguridad, funcionalidad y costo.
Tormenta de Diseño
Una tormenta de diseño se define como la máxima intensidad de lluvia (i) correspondiente a una duración igual al tiempo de concentración (Tc) de la cuenca y a un determinado periodo de retorno (T).
Caudal Máximo (Qmax)
Esta ecuación se utiliza para el cálculo del caudal máximo que pasa por un punto, generalmente aplicada para el dimensionamiento de caudales en desagües. Es de gran importancia ya que tiene en cuenta el periodo de retorno, un factor crítico en las construcciones de desagües para evitar la sobrecarga de los mismos.
Procedimiento para calcular Qmax:
- Delimitación y caracterización de la cuenca: Identificar la superficie total (A) en hectáreas y determinar la pendiente del terreno.
- Calcular Tc: Medir la distancia desde el punto más alejado hasta la salida y determinar la velocidad del flujo según las tablas de cobertura y pendiente.
- Selección del Coeficiente de escurrimiento (C): Representa la fracción de lluvia que escurre basándose en las características del suelo, uso de la tierra, pendiente y el T fijado para la obra.
- Determinación de la Intensidad de lluvia (I): Utilizar mapas de isoyetas o curvas de frecuencia para encontrar la intensidad máxima que corresponde a una duración igual al Tc calculado y al T seleccionado.
- Sustituir los valores en la fórmula:
Qmax = (C * I * A) / 360
- C: Coeficiente de escorrentía (estimado según la pendiente de la cuenca y el T a utilizar).
- I: Intensidad de la lluvia estimada como tormenta de diseño.
- A: Área de la cuenca.
- 360: Factor utilizado para la conversión de unidades.
El método racional es el procedimiento utilizado para estimar el Qmax de escurrimiento que puede generar una cuenca durante una lluvia. A partir del caudal (Q), se puede calcular la velocidad de escurrimiento (Vesc).
Infiltración del Suelo
Procedimiento para construir la curva de infiltración
Para este fin se debe utilizar el método del doble anillo, que consiste en introducir este dispositivo en el suelo y medir la cantidad de agua que ingresa verticalmente a través del anillo central. También se debe registrar el tiempo que demora en infiltrar el agua. Con estos datos se construye la curva de infiltración.
Se busca medir la velocidad con la que el agua entra al suelo bajo condiciones controladas, proceso que está gobernado por la capilaridad y la gravedad. El procedimiento práctico incluye:
- Selección del sitio: Elegir una zona representativa considerando textura, estructura y contenido de agua antecedente.
- Instalación de los anillos: Se coloca el anillo mayor y se hinca (5-10 cm) asegurando la nivelación. Luego se centra el anillo menor y se hinca a la misma profundidad, evitando perturbar los poros.
- Llenado y estabilización: Se vierte agua en el anillo exterior para saturar el suelo circundante. Inmediatamente después, se llena el anillo interior usando una lámina de plástico para evitar el encostramiento.
- Toma de datos (Medición): Se registra el nivel inicial y el descenso de la lámina de agua a intervalos (1, 2, 5, 10, 20 y 30 minutos). La tasa es mayor al inicio y disminuye al estabilizarse el gradiente hidráulico.
- Finalización del ensayo: Se continúa hasta que la velocidad sea constante. En este punto, la tasa se iguala a la conductividad hidráulica saturada (Ksat).
- Construcción de la curva: Se grafica la infiltración acumulada y la velocidad de infiltración para clasificar el suelo en un grupo hidrológico (A, B, C o D).
Factores que afectan la Infiltración
La infiltración es la entrada de agua al suelo desde la superficie. Es vital porque el suelo es el principal reservorio para los cultivos; a mayor infiltración, mayor disponibilidad hídrica y menor pérdida por escurrimiento y erosión.
- Factores Positivos (favorecen la infiltración): Buena estructura, presencia de plantas y fauna, laboreo ocasional, materia orgánica y buen drenaje. Estos generan macroporos y canales.
- Factores Negativos: Calles y caminos, compactación, laboreo frecuente y encostramiento. Estos reducen la cantidad de poros y dificultan el ingreso de agua.
Escurrimiento, Erosividad y Erodabilidad
Escurrimiento
Es la parte de la precipitación que fluye sobre la superficie hacia cursos de agua luego de satisfacer la intercepción, evapotranspiración, infiltración y almacenamiento. Posee masa y energía cinética. Factores que lo afectan:
- Lluvia: Intensidad, duración y frecuencia.
- Intercepción: Especie vegetal, densidad y estado de crecimiento.
- Evapotranspiración: Temperatura, viento y radiación.
- Fisiográficos: Tamaño y pendiente de la cuenca; uso del suelo y permeabilidad.
- Red de drenaje: Capacidad de carga, sección y rugosidad.
Erosividad
Es el potencial de la lluvia para causar erosión basándose en sus características físicas. Representa la fuerza externa que actúa sobre el terreno.
- Variabilidad temporal: Las tormentas más erosivas ocurren en verano (febrero a mayo y noviembre a diciembre) debido a la alta intensidad de las lluvias.
- Variabilidad espacial: Existe un gradiente donde la erosividad aumenta desde el suroeste hacia el norte del territorio.
Erodabilidad
Es la vulnerabilidad o susceptibilidad del suelo a sufrir la pérdida de material. Es una propiedad específica de cada tipo de suelo que define su resistencia a las fuerzas de desprendimiento y transporte.