SIMULADORES DE LLUVIA PARA EL ESTUDIO DE RELACIONES SUELO-AGUA BAJO AGRICULTURA DE SECANO EN LOS TROPICOS*

ILDEFONSO PLA SENTIS**

COMPENDIO

En agricultura de secano, y especialmente en los trópicos, con lluvias concentradas e intensas, las interacciones del agua de lluvia con el suelo superficial son determinantes en la distribución de dicha agua entre infiltrada y escurrida, con todas las consecuencias en cuanto a erosión, drenaje superficial, y almacenamiento de agua en el suelo. Los estudios de dichas interacciones bajo condiciones naturales están limitadas por la dificultad de lograr las diferentes combinaciones de características de precipitación y condiciones de la superficie del suelo que nos permitan, en un tiempo y a costos razonables, alcanzar conclusiones y formular diagnósticos aplicables a diferentes situaciones. Esto puede lograrse, con ciertas limitaciones, mediante el uso de los llamados simuladores de lluvia, los cuales permiten, hasta cierto punto, reproducir a voluntad lluvias de diferentes características. En el trabajo se presentan tres modelos de simuladores de lluvia desarrollados o adaptados por el autor para ser utilizados uno en condiciones de laboratorio, otro en invernadero, y un tercero en el campo, cuya utilidad ha sido probada en varios estudios realizados durante los últimos años. El de laboratorio, es utilizado para determinar un índice de sellado y encostramiento de la superficie del suelo por efecto del impacto de las gotas de lluvia sobre agregados de suelo desnudo. El de invernadero se utiliza fundamentalmente para el estudio de los efectos de lluvias de diferente intensidad, duración, escorrentia y pérdida de suelo por erosión en muestras de suelo con diferente agregación natural u obtenida a través de tratamientos con acondicionadores, colocadas a diferentes pendientes. El simulador de lluvia de campo, permite realizar mediciones de infiltración, escorrentía y erosión de agua de lluvia, con diferente energía cinética acumulada, directamente en el campo, en diferentes pendientes, bajo condiciones variables de roturación, y cobertura del suelo superficial.

ABSTRACT

INTRODUCCION

L; la necesidad de reproducir bajo condiciones controladas los efectos. de la precipitación, y en especial del impacto de las gotas de lluvia sobre las propiedades físicas del suelo superficial, y las consecuencias que ello provoca en la infiltración, escorrentía y erosión, condujeron desde hace años al desarrollo de diferentes mecanismos y aparejos que tratan de simular la lluvia natural. Su escala va desde la formación de unas gotas que caen sobre agregados individuales (McCalla, 1944; Pereira, 1955), pasando por modelos de laboratorio que aplican gotas sobre cajas de suelo disgregado (ASAE, 1965 ; Bryan, 19 70 ; Gabriels, de Boodt & Minjauw, 1973; Mc. Intyre, 1958; Moldenhauer, 1964), hasta modelos de campo (Blackburn, Meeuwing & Shaw, 1974; Dangler, 1975; Meyer 1960; Steinhardt 1966), transportables o montados "in situ", que cubren áreas desde menos de un m² hasta 100 m². Con ellos se han hecho mediciones principalmente para determinar la estabilidad de los agregados al impacto de las gotas de lluvia (Mc. Calla, 1944; Pereira, 1955), la infiltración de agua de lluvia (Mc. Intyre, 1958; Moldenhauer, 1964; Steinhardt 1966) y en especial para establecer la erodabilidad de los suelos (ASAE, 1965; Blackburn, 1974; Bryan, 1970; Dangler, 1975; Gabriels, 1973; Meyer, 1960; Moldenhauer, 1964).

En condiciones tropicales, donde las lluvias son más agresivas e irregulares, es particularmente importante estudiar y evaluar en forma cuantitativa, la distribución del agua que llega a través de la lluvia a la superficie del suelo, identificando y evaluando al mismo tiempo los factores influyentes, y las consecuencias de su modificación mediante prácticas de manejo, o tratamientos. Esa distribución es la que determina problemas tales como aguachinamiento, escorrentía, erosión, almacenamiento de agua en el suelo, etc.

La gran variabilidad y naturaleza errática de las lluvias naturales, especialmente en los trópicos y los costos y difícil manejo de instalaciones permanentes en el campo, hacen necesario recurrir a estudios bajo condiciones controladas, donde sea posible determinar la influencia individual de los diferentes factores, y se puedan estudiar más variantes, en cuanto a suelos, tratamientos, pendiente, etc., a un mínimo costo y requerimientos de personal. Simuladores de lluvia, con características apropiadas, pueden servir para estos fines.

En nuestro caso, desde hace diez años, al iniciar el estudio de la dinámica de las propiedades físicas de los suelos en las principales zonas agrícolas de secano en Venezuela, tuvimos que realizar al mismo tiempo un desarrollo y adaptación de metodología para poder evaluar la reacción de los suelos frente a diferentes situaciones o condiciones, ya sea naturales, entre ellas especialmente la lluvia, o provocadas por el hombre. Para ello, la utilización a diferentes niveles de "simuladores de lluvia" se hizo indispensable. Aquí se presentan, tres modelos desarrollados y construidos en el país, adaptaciones, para cumplir con los fines que nosotros perseguimos, de otros desarrollados para otras condiciones y que han venido sufriendo modificaciones y mejoras en todos estos años, para resolver algunos de los problemas que han venido apareciendo.

CARACTERISTICAS DE LOS SIMULADORES DE LLUVIA

Según los propósitos perseguidos, nosotros desarrollamos y utilizamos tres tipos de "simuladores de lluvia", que de acuerdo al sitio donde se usan y a la escala de trabajo denominaremos simulado}es de lluvia de "laboratorio", de "invernadero" y de "campo". Sus principales características son las siguientes:

Simuladores de lluvia de laboratorio (Figura 1)

Sistema formador de gotas:

Tres pipetas automáticas de 25 c. c., con llave de paso, de las utilizadas para análisis mecánico por el método de la pipeta. Dichas pipetas van conectadas con tubo de goma a un depósito de agua donde se mantiene una carga constante.

Diámetro de las gotas: 4,5 mm.

Altura de caída: 2 - 2,5 m.

Intensidad de precipitación: 30 - 120 mm/hora, según la velocidad de formación de gotas.

Sistema para variar intensidad: Graduación de las llaves de paso de las pipetas.

Calibración: Al comenzar y terminar la prueba recogiendo y midiendo el volumen de agua caída en intervalos de tiempo de 5 - 10 minutos.

FIGURA 1. Simuladores de lluvia fijos utilizados en el laboratorio e invernadero.

Sistema para lograr distribución uniforme del impacto de las gotas sobre la superficie del suelo:

Rotación continua durante la prueba de la muestra de suelo, colocada en una plataforma giratoria. Disposición de los goteros en forma de triángulos con lados de 40 mm.; 30 mm., y 30 mm.

Fines para los que se utiliza: Estudio de la estabilidad estructural frente al impacto de gotas , de agregados naturales , formados, o estabilizados de suelo.

Determinación de la conductividad hidráulica saturada de la costra superficial formada con el impacto.

Condiciones del suelo utilizado: Muestras de 40 gm. de agregados de 2-4 mm. de diámetro secos al aire, distribuidas uniformemente en el fondo del tamiz.

Sistema para contener el suelo, recibir las gotas, y tomar mediciones:

Tamiz de 50 micras, y 60 mm. de diámetro, con una extensión hacia arriba de un tubo de plástico del mismo diámetro, y 30 cm. de altura para evitar pérdidas de suelo o agua por salpique. Dicho tamiz con la extensión va colocado en un embudo, del cual sale un tubo flexible cuyo extremo se coloca en la boca de tubitos graduados de 15 c.c., donde se colecta y mide agua percolada a intervalos de 1 - 10 minutos. Los tubitos van colocados en un soporte, y todo el sistema, sobre una plataforma giratoria que gira a 3 revoluciones/minuto.

Principios del método:

Determinación de agua percolada y acumulada en la superficie, por diferencia entre caída y percolada, a intervalos de 1 - 10 minutos según los casos. Con la lámina de agua percolada, y la lámina de agua acumulada en la superficie se calcula conductividad hidráulica (K) para cada intervalo, hasta lograr valores estables.

La estabilidad de los agregados se aprecia en base a la rapidez y grado de descenso de K, en relación a la energía cinética acumulada del agua caída, y el valor mínimo de K saturada de la costra.

Simuladores de lluvia de invernadero (Figura 1)

Sistema formador de gotas:

Tubitos de plástico rígido de 2 mm de diámetro interior, y 2 cm de largo, insertados en tapones de goma No. 1, perforados. A través de los tubitos se pasa un alambre galvanizado, de diámetro ligeramente inferior, doblado en su extremo superior y que sobresale en el inferior unos 4 - 5 mm. Los tapones van colocados en huecos hechos en el fondo de una bandeja cilíndrica de un m2, a distancia de 5 cm., en hileras cruzadas.

Diámetro de las gotas: 5 - 6 mm.

Altura de caída: 3 m.

Intensidad de precipitación: 50 - 150 mm/hora, según la velocidad de formación de gotas.

Sistema para variar intensidad:

Variación de la carga de agua en la bandeja cilíndrica con los goteros, graduando la llave de paso del agua que cae continuamente en ella, y mediante desagües laterales, a intervalos verticales de 1 cm., que se tapan y destapan a voluntad para mantener la carga deseada.

Calibración:

Antes y durante la prueba con tres pluviómetros bien distribuidos en el fondo de la bandeja colectora del agua caída.

Sistema para lograr distribución uniforme del impacto de las gotas sobre la superficie del suelo:

Rotación continua a 1 revolución/minuto, de la bandeja con los goteros. Acción de dos ventiladores oscilantes colocados lateralmente, a una altura de 1,5 m., que provocan cierta turbulencia en las gotas que caen.

Fines para los que se utiliza:

Estudios de infiltración, encostramiento y erodabilidad de los suelos. Aplicación de agua de lluvia a suelo contenido en macetas para estudios de efectos de encostrado sobre germinación, emergencia, almacenamiento y pérdida del agua del suelo.

Condición del suelo utilizado:

Muestras disgregadas, en el grado deseado, secas al aire o equilibradas a de terminada humedad, de suelo natural , tratado o protegido superficialmente.

Sistema para contener el suelo, recibir la lluvia y tomar mediciones:

Bandejas con doble fondo, que puedan contener 5 cm de espesor de suelo, con una superficie expuesta de 600 cm². Dichas bandejas van provistas de paredes laterales removibles de 30 cm de altura, para evitar pérdidas por salpique, y de sistemas colectores de agua escurrida, suelo erosionado y agua percolada. Se pueden colocar tres bandejas, en forma radial, apoyadas sobre un soporte triangular, que permiten regular la pendiente de la superficie de las bandejas a voluntad. Todo ello va colocado en el fondo de una gran bandeja cilíndrica, con una salida lateral para desagüe.

Principios del método:

Determinación de agua infiltrada a intervalos de 1 a 10 minutos, por diferencia entre caída y escurrida en cada intervalo, todo ello calculado en forma de lámina de acuerdo a la superficie de suelo en las bandejas. El suelo erosionado en cada intervalo de tiempo se pesa después de eliminación de agua por decantación y secado en estufa, utilizando los mismos frascos de vidrio en que se recoge la escorrentía.

Sistema formador de gotas:

Tubitos de Cu de 2 mm de diámetro interior, y 2 cm de largo, soldados a 5 cm de distancia e~ hileras cruzadas, de tal manera que queden sobresaliendo 1 cm. tanto en la parte superior como en la inferior, en el fondo de tres bandejas de latón rectangulares de 1.5. m² cada una (1 x 1,5 m) y paredes laterales de 20 cm. A tra

FIGURA 2. Simulador de lluvia portable utilizado en condiciones de campo.

Vista superior de una de las microparcelas y sistema colector de escorrentía.

vés de los tubitos se insertan alambres de Cu de diámetro ligeramente inferior doblados arriba y sobresaliendo alrededor de 4 - 5 mm en la parte inferior.

Diámetro de las gotas: 5 - 6 mm.

Altura caída: 3 m.

Intensidad de precipitación:

70 - 100 mm/hora, según la velocidad de formación de gotas.

Sistema para variar intensidad:

Graduación de llave de paso de agua a las bandejas, para permitir la acumulación de una mayor o menor carga de agua en ellas.

Calibración:

Durante la prueba, con pluviómetros colocados en el centro de cada una de las microparcelas debajo de las bandejas.

Sistema para lograr distribución uniforme del impacto de gotas sobre la superficie del suelo:

Vibración de las bandejas por la vibración del motor que sube el agua del tanque a ellas, y movimiento del aire en el sitio de la prueba.

Fines para los que se utiliza:

Determinación de infiltración, escorrentía y erosión de agua de lluvia en condiciones de campo.

Condiciones del suelo utilizado:

Roturado o no, tratado, cubierto, con cultivos, vegetación natural, etc., pendiente natural o alterada, y diferentes condiciones iniciales de humedad.

Sistema para contener el suelo, recibir la lluvia y tomar mediciones:

Tres microparcelas de 1 m2 cada una, colocadas debajo de las bandejas con goteros, delimitadas con láminas de latón grueso, hundidas 2 cm en el suelo y que se acoplan entre sí, con un sistema para recolectar y concentrar la escorrentía. En el pico de salida del agua de escorrentía de cada microparcela se hace un hueco de 50 cm de profundidad, donde se colocan los baldes para recoger la escorrentía.

Principios del método:

Determinación de lámina de agua infiltrada en intervalos de 5 minutos, por diferencia entre caída (medida en pluviómetros) y escurrida (recogida en baldes y medida en cilindro graduado). El suelo arrastrado en la escorrentía se determina tomando submuestras de 500 cc. de cada intervalo en frascos de vidrio, que se llevan al laboratorio, se decantan y secan en estufa. Al terminar la prueba, en un corte del suelo se aprecia profundidad de humedecimiento.

Todo el sistema es transportable en un remolque, que a su vez lleva un tanque de agua de 1000 litros, con una bomba, que sirva tanto para llenar el tanque con agua de un río, canal, depósito, etc., como para llevar el agua del tanque al sistema distribuidor encima de las bandejas.

OBSERVACIONES FINALES.

Para el desarrollo y construcción de los tres simuladores de lluvia aquí descritos, privó siempre el criterio de utilizar material sencillo y fácil de obtener, así como sistemas que pudieran ser montados por cualquier taller de herrería.

La principal diferencia entre la lluvia simulada y la natural, estriba en que:

1) En la lluvia simulada el tamaño de las gotas es más o menos uniforme, independientemente de la intensidad de precipitación, mientras que en la lluvia natural, el tamaño de las gotas sube con la intensidad.

2) Es difícil simular el efecto del viento en las lluvias naturales, el cual puede incrementar apreciablemente la energía cinética al momento del impacto para una intensidad de precipitación dada.

3) Por limitaciones prácticas en la altura de la producción de gotas sobre la superficie del suelo, la velocidad de las gotas al momento del impacto es menor en las lluvias simuladas que en las naturales. Sin embargo esto se compensa en parte con el tamaño medio de las gotas, mayor en la lluvia simulada. Con los simuladores aquí propuestos, se logran energías cinéticas parecidas a las de lluvias naturales con intensidades de 70-100 mm/hora.

A pesar de todos estos problemas, si se cuida el obtener energías cinéticas comparables a las de lluvias naturales, las ventajas obtenidas con el uso de los simuladores superan con creces a los inconvenientes.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. ASAE (ed.). 1965. Symposium on simulation of rainfall for soil erosion research. Transactions Am. Soc. Agric. Eng. 8(1):63-75.

2. BLACKBURN, W.H., R.O. MEEUWING y C.H. SHAU. 1974. A mobile infiltrometer for use on rangeland. Jour. of Range Manag. 27(4): 322-323.

3. BRYAN, R.B. 1970. An improved rainfall simulator for use in erosion research. Canadian Jour. of Earth Sci. 7(7): 1552-1561.

4. DANGLER, E.W., S.A. EL SWAIFY y A.P. BARNETT. 1975. Erosion losses from Hawaii soils under simulated rainfall. Research Bull. 181. Hawaii Agric. Exp. Station. 80 pp.

5. GABRIELS, D., M. DE BOODT y W. MINJAUW. 1973. Descriptions of a rainfall simulator for soil erosion studies. Meddelingen Fakulteit Landbomwwetenschappen. State University Ghent. 38(2):294-303.

6. McCALLA, TM. 1944. Water-Drop method of determining stability of soil structure. Soil Sci. 57:117-122.

7. MclNTYRE, D.S. 1958. Permeability measurements of soil crusts formed by raindrop impact. Soil Sci. 85:185-189.

8. MEYER, L.D. 1960. Use of the rainulator for runoff test research. Soil Sci, Soc. Amer. Proc. 24(4):319-322.

9. MOLDENHAUER, WIC. y D.C. LONG. 1964. Influence of rainfall energy on soil loss and infiltration rates: 1. Effect over a range of texture. Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 28:813-817.

10. PEREIRA, H.C. 1955. A rainfall test for structure of tropical Soils. Jour. Soil Sci. 7(1):68-74.

11. STEINHARDT, R. y D. HILLEL. 1966. A portable low-intensity rain simulator for field and laboratory use. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 20(5):661662.