Estudio experimental del efecto de la profundidad del nivel freático en la evaporación de un suelo arenoso no saturado

Abstract

La evaporación es uno de los procesos determinantes en el balance hidrológico de una cuenca, especialmente en zonas del Altiplano de la cordillera de los Andes donde toda el agua que precipita dentro de la cuenca es evaporada al interior de ella, tanto desde suelos saturados como no saturados. Las variaciones en la tasa de evaporación dependen tanto de las condiciones atmosféricas (humedad, temperatura, viento, etc.) como de las características del suelo (conductividad hidráulica, porosidad, conductividad termal, etc.). En este trabajo se estudió experimentalmente el efecto que tiene el nivel freático en la evaporación de un suelo arenoso no saturado. Para esto, se construyó una instalación experimental que permite medir la evaporación en dos estanques que contienen un suelo arenoso idéntico, pero que difieren en su grado de saturación. Esto es, uno de estos estanques se encuentra constantemente saturado, mientras que el otro sólo está saturado al inicio de las experiencias, pero luego baja su grado de saturación (acompañado de un descenso del nivel freático) a medida que el agua contenida se evapora. También, se dispone de una estación meteorológica y de sensores que permiten medir viento, temperatura del aire, temperatura del suelo, humedad relativa y humedad de la superficie. El montaje experimental y la estación se instalaron en la terraza del tercer piso del edificio de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, expuestos a variaciones naturales de radiación solar, viento, temperatura y humedad del aire. Adicionalmente, se cuenta con mediciones de laboratorio de las propiedades del suelo como conductividad hidráulica del suelo saturado, porosidad del suelo y ancho de la franja capilar del suelo. Para el análisis de las mediciones, se presenta un marco teórico que permite postular la existencia de un número adimensional que se desprende de la razón entre la evaporación y la evaporación máxima del agua contenida en un suelo. Este número adimensional está dado por Kad/D, donde Ka es la velocidad de transferencia del vapor de agua hacia la atmósfera, d es la profundidad del suelo a la cual se encuentran condiciones saturadas, y D es el coeficiente de difusión de vapor de agua en el suelo. A partir de los resultado experimentales se validó satisfactoriamente el marco teórico para el cálculo de la evaporación desde suelos no saturados, que contempla tanto procesos de transferencia de vapor de agua en la atmósfera, como en el suelo. De igual forma, se analizó la variabilidad de la tasa evaporativa respecto a las variaciones de temperatura del aire, de temperatura de los suelos, y de la profundidad del nivel freático. Se analizó la relación del número adimensional con la evaporación y la evaporación máxima, se concluyó acerca de su validez y de los parámetros que componen dicho número. Finalmente, se formulan supuestos y se mencionan algunas consideraciones a tomar para estudios de futuros experimentos.