Pablo Weinzettel y Eduardo Usunoff

Instituto de Hidrología de Llanuras (UNCPBA, CIC, MA)

This paper presents the most relevant so far obtained from an instrumental set up in two spots aimed at studying the hydrodynamic behavior of argiudol soils (a typical section and a section with caliche close to the surface) in the Azul River basin. Such a soil type occupies most of the upper and medium sectors of the basin, where the largest recharge rates to the aquifer have been identified. Readings of tensiometry, depth to the water level, and local rainfall for the 512-day recording period have been used to qualitatively tipify the various recharge events.

Changes in the groundwater level have been related to the varying total hydraulic potentials for each experimental spot, and between both measuring places. It has then been possible to find out that the aquifer has shown similar behavior in both spots, in spite of the presence of caliche close to the surface.

Retention curves for both sampling spots were determined in laboratory for depths of 30, 60, and 90 cm, in order to be able to estimate the water-holding capacity of the study soils. A difference of 39 mm in such a retention capacity between the two spots was determined.

En el presente trabajo se muestran algunos de los resultados obtenidos de la instrumentación de dos parcelas experimentales en suelos argiudoles (uno típico y el restante con tosca cercana a la superficie) en la cuenca del arroyo del Azul. Este tipo de suelo se distribuye en la parte alta y media de la cuenca, zonas dónde se produce la mayor recarga al acuífero.

Mediante el registro de la tensiometría, del nivel freático, y de la pluviometría en las parcelas se describe cualitativamente los eventos de recarga que se han producido en los 512 días del período de mediciones presentado.

Se ha relacionado las variaciones del nivel freático con los cambios producidos en los potenciales hidráulicos totales y se han comparado los datos obtenidos en las parcelas observando que el acuífero ha reaccionado a las lluvias producidas en forma similar para ambas parcelas según los valores de tensión que se producían, a pesar de la presencia en un caso de un horizonte de tosca a escasa profundidad.

Las curvas de retención para ambas parcelas se determinaron en laboratorio a 30, 60 y 90 cm de profundidad, permitiendo en esta etapa preliminar conocer la capacidad de retención de los suelos estudiados. Se verifica una variación en la capacidad de retención de humedad entre ambas parcelas de aproximadamente 39 mm.

En la cuenca del arroyo del Azul se han instrumentado tres parcelas para el estudio de la zona no saturada, dichas parcelas se encuentran en suelos argiudoles y se ubican en el sector alto y medio de la cuenca (Figura 1), sectores que son los que aportan la mayor recarga al acuífero (Varni et al., 1997).

Los suelos argiudoles presentan una cobertura areal de aproximadamente el cincuenta por ciento del área total de la cuenca que es de unos 6000 km2, dato este que se desprende de trabajos de regionalización llevados a cabo en el IHLLA (Entraigas, 1995).

Se pretende con la instrumentación practicada obtener datos de los parámetros hidráulicos de la zona no saturada para la modelización del flujo, y la realización de balances hidrológicos que permitan cuantificar la recarga en los suelos estudiados. Para esto último se realizan muestreos del ión cloruro como trazador natural, con muestreos a distintas profundidades para obtener un balance de este ión y además detectar la presencia de flujos preferenciales hacia el acuífero. En este trabajo se muestran los resultados obtenidos del seguimiento de las mediciones de potenciales hidráulicos totales realizadas para el estudio de la hidrodinámica en la zona no saturada, y se presentan las curvas de tensión-humedad para las profundidades de 30, 60 y 90 cm del suelo. Se mostrarán los resultados preliminares obtenidos en las parcelas 1 y 2, ya que la parcela 3 fue instrumentada hace sólo seis meses.

Para la obtención de los datos que permitan conocer la hidrodinámica de la zona no saturada se ha realizado la instrumentación de cada parcela de 25 m ² , las cuales cuentan con uno o dos tubos de acceso de PVC, para sonda TDR (Time Domain Reflectometry), para la medición de la humedad volumétrica. Para la medición de la tensiometría se han instalado en cada parcela cuatro tensiómetros a 30, 60, 90 y 150 cm de profundidad. Para la toma de muestras de agua de la zona no saturada se utilizan tensiómetros de la marca Soil Moisture, adaptados para tal fin, los cuales muestrean a iguales profundidades que las indicadas para los tensiómetros. La instrumentación se completa con un freatímetro, un pluviómetro, un muestreador de cloruros que tiene en cuenta la deposición seca, y un tanque de evaporación clase "A". Las mediciones son diarias en la parcela 1, ubicada en el predio de la Facultad de Agronomía de la ciudad de Azul, mientras que las parcelas 2 y 3 son medidas semanalmente.

Se describen en forma resumida los distintos horizontes de suelo de las parcelas 1 y 2 (Pazos, 1998). En la parcela 1 se observan los siguientes horizontes. A1: de 0 a 9 cm, franco, consolidado y con raíces muy abundantes. A2: de 9 a 18 cm, franco a franco arcilloso. Bt1: de 18 a 35 cm, arcilloso, formado por columnas gruesas y abundantes cuevas rellenadas (mesofauna), y raíces comunes. Bt2: de 35 a 43 cm, arcilloso, firme y con abundantes barnices arcillo-húmicos.

Bck: de 43 a 66 cm, pardo amarillento en seco, arcillo-limoso, nódulos de carbonato de calcio escasos. Ck: de 66 a 104 cm, franco limoso, masivo, muy firme; carbonato de calcio en canalículos y/o poros de raíces; raíces escasas. Ckm: a más de 104 cm es extremadamente firme, se encuentra una capa de tosca de unos 6 a 8 cm de espesor. El perfil esta moderadamente bien drenado. Se aclara que según la antigua clasificación de la Taxonomía de Suelos el perfil corresponde a un argiudol típico, pero las últimas enmiendas en la clasificación se lo ubica como un paleudol petrocálcico, esto último debido a la presencia de tosca antes de los 150 cm desde la superficie del suelo.

Para la parcela número 2 el perfil descripto presenta los siguientes horizontes: A1 de 0 a 18 cm, franco, con raíces muy abundantes. AB: de 18 a 30 cm, franco-limoso, raíces abundantes.

Bt: de 30 a 46 cm, franco arcillo-limoso, plástico y adhesivo, raíces comunes. BC: de 46 a 80 cm, franco limoso, friable, no plástico, ligeramente adhesivo, raíces comunes. BC: de 80 a 146 cm, franco a franco arcilloso, masivo, muy friable, no adhesivo, no plástico, con raíces escasas. A 2.5 metros de profundidad se encuentra un horizonte petrocálcico muy tenaz. Según la clasificación de la Taxonomía de Suelos, corresponde a un argiudol típico.

El movimiento del agua en el suelo puede caracterizarse en términos de potencial hidráulico total, es decir la suma de los potenciales gravitacional, de presión y osmótico, expresados por unidad de peso de agua. La ventaja principal del concepto de potencial total es que provee una medida unificada por el cual el estado del agua puede ser evaluada en cualquier momento en el continuo suelo-planta-atmósfera (Hillel, 1982).

Si el nivel de referencia elegido para las lecturas de los tensiómetros es la superficie del suelo, el potencial gravitacional es negativo, este potencial es independiente de las condiciones de presión y de la química del agua del suelo, y depende solamente de la elevación relativa.

El potencial de presión es negativo para el suelo subsaturado y cero o positivo para el suelo saturado. Cuando el suelo se encuentra subsaturado se lo llama potencial matricial o de succión, y se debe a las fuerzas de capilaridad y de adsorción del agua en la matriz del suelo. El potencial osmótico tiene un efecto limitado y afecta solo a suelos arcillosos y muy salinos, por lo que su influencia en el potencial total del agua en el suelo es muy limitado.

De esta manera el potencial hidráulico total de agua en el suelo (H), puede ser definido como la suma del potencial gravitacional (z) más el potencial de presión o matricial (h), expresado como energía por unidad de peso de agua.

H = h + z

En las Figuras 2 y 3 se presentan los gráficos correspondientes a las parcelas 1 y 2 con los registros de tensiometría (potencial hidráulico total), freatimetría y pluviometría. El gráfico de potencial hidráulico total se ha graficado en dos partes: los registros tensiométricos de 30 y 60 cm por un lado y los de 90 y 150 cm por el otro. Se aclara que el período con líneas de trazos en los registros tensiométricos, corresponde a un lapso durante el cual, por problemas de congelamiento de los manómetros de esfera, no se obtuvo el valor de tensión (este período va desde el 12 de agosto de 1998 hasta el 20 de octubre del mismo año).

Con la observación de los potenciales hidráulicos totales se puede conocer en cada momento el sentido del movimiento del agua en el suelo de acuerdo al tipo de gradiente que se produce, o sea en qué momento el movimiento del agua es ascendente o descendente (no se tiene en cuenta los movimientos en otras direcciones). Estos gráficos dan una idea cualitativa del potencial total del suelo a distintas profundidades, ya que se presenta la limitante que los tensiómetros no pueden obtener los valores de succión que se producen por encima de los -80 Kpa, por lo tanto en ciertas ocasiones, como por ejemplo para la primavera y comienzo del verano de 1998, seguramente las tensiones fueron mucho mayores (más negativas) que las indicadas en el gráfico, especialmente para los tensiómetros de 30 y 60 cm. 

El gráfico de potenciales de 30 y 60 cm de profundidad (Figuras 2 y 3) muestra que en la parte superior del suelo se producen las mayores variaciones de potencial, que pasan de predominancia matricial a gravitacional y viceversa de acuerdo a las precipitaciones y a las condiciones de evapotranspiración que se van presentando. Los potenciales a 90 y 150 cm de profundidad, muestran una importante atenuación en su variación, y permiten observar que principalmente, en los momentos en que los potenciales fueron predominantemente gravitacionales, se produjo el ascenso del nivel freático.

El registro abarca desde comienzos del mes de octubre de 1997 hasta febrero de 1999. 

Básicamente el comportamiento de la tensiometría y la freatimetría en las dos parcelas es similar, observándose solamente un evento más de recarga en la parcela Nº 1 debido a las lluvias de fines de enero de 1999, que no ocurrieron en la zona de la parcela Nº 2. Las precipitaciones para el período de estudio totalizaron 1218.5 mm en el sector de la parcela 1 y 1554.4 mm en la zona de la parcela 2. La distribución temporal y de estas lluvias no difieren demasiado entre las sucedidas en la zona 1 y la zona 2, según puede verse en las Figuras 2 y 3. Sintéticamente puede decirse que desde el comienzo del período de estudio, octubre de 1997, hasta abril de ese mismo año se produjeron importantes lluvias, que produjeron tres eventos de recarga en las parcelas siendo el más importante el ocurrido en el mes de abril. El invierno de 1998 es seco; la baja evapotranspiración, unido al importante ascenso que había tenido el nivel freático y por ende de la franja capilar, hacen que los potenciales en ambas parcelas se mantengan muy bajos, las escasas precipitaciones que se producen ayudan a mantener bajo el potencial pero no llegan a recargar al acuífero. A comienzos de la primavera se producen nuevas lluvias que producen una nueva recarga, pero a partir de aquí la elevada evapotranspiración, produce en ambas parcelas un gradiente ascendente como puede verse en los registros tensiométricos de las parcelas en las Figuras 1 y 2. Este gradiente es el más importante de toda la época de registro ya que produce altas tensiones a los 150 cm de profundidad, que no se habían producido antes. Este gradiente ascendente podría haber llegado incluso hasta el acuífero o a su franja capilar, el cual presenta un constante descenso del nivel freático, con una mayor pendiente en el tramo recesivo de la curva para esta época; posteriormente el descenso generalizado de niveles freáticos (se trata de un período excepcionalmente seco), con el consecuente descenso de la franja capilar, desconecta a la misma de la evaporación atmosférica. Este descenso se interrumpe sólo para la parcela 1 por lluvias ocurridas a fines de enero de 1999. Este último evento produce una reacción del registro tensiométrico hasta los 1.5 metros, con el descenso de todos los potenciales.

Se ha notado que pese a la diferencia existente entre los suelos de la zona de cada parcela, con respecto a la profundidad de la tosca, de 1 metro para la parcela 1 y 2.4 metros para la parcela 2, esto no ha influido aparentemente en la reacción areal del acuífero ante las precipitaciones que produjeron recarga. Esto habilita a suponer que los argiudoles tratados, tengan o no tosca, pueden considerarse como una unidad de comportamiento similar a efectos de su modelación a escala regional.

Para el último evento de recarga de la parcela 1, se grafican la evolución de los potenciales hidráulicos totales en profundidad Figura (4a y 4b). Esta forma de presentación aporta mayor claridad para conocer las variaciones en la dirección del agua según las condiciones de humedad para distintos momentos en el perfil de suelo estudiado.

El análisis se ha comenzado el día 27 de enero de 1999, momento en el cual el nivel freático llegó a la mayor profundidad de todo el registro, 2.99 metros. Para esta fecha los potenciales hidráulicos totales muestran un gradiente descendente desde la superficie hasta los 90 cm, y un gradiente ascendente predominantemente matricial desde los 150 cm hasta los 90 cm. El flujo descendente se debe a una lluvia de 45 mm que se produjo el 25 de enero de 1999 y

que humedeció la primera parte del perfil hasta el nivel de 90 cm. Posteriormente se produjeron lluvias que totalizaron hasta el día 29 de enero 97.7 mm. Esto produjo un flujo descendente producto de la redistribución de la humedad en el perfil como se ve en la misma figura, y un ascenso del nivel freático de 21 cm. En la Figura 4 b, se muestra que el día 1 de febrero de 1999 el nivel freático llega al máximo ascenso de este evento, 2.69 metros, siendo el flujo predominantemente descendente hasta los 150 cm de profundidad. Como puede observarse en ambas figuras el ascenso del nivel freático se ha producido sin que el perfil potenciométrico llegue al equilibrio, es decir el potencial hidráulico total a los 150 cm de profundidad continúa siendo mayor que el del acuífero lo que estaría produciendo un flujo ascendente del acuífero hasta los 150 cm de profundidad, cuando en realidad el ascenso del nivel freático indica que se está produciendo una rápida recarga. Este ascenso del nivel freático se debería en este caso a flujo preferencial, sin que el suelo llegue a completar totalmente su almacenamiento de agua. No obstante no se descarta la influencia en alguna medida de un efecto de histéresis al producirse la redistribución de humedad en el perfil de suelo. Weinzettel y Usunoff (1998), indican la posibilidad de flujo preferencial mediante el muestreo de cloruros con cápsulas de succión en la zona no saturada y el muestreo del agua del acuífero, observando una disminución en el contenido de cloruros del acuífero. Esto correspondería a flujo preferencial, descartando fenómenos de dilución lateral, ya que el área donde se ubica la parcela tiene un uso similar del suelo. Un punto a tener en cuenta es que en el área se presenta un manto de tosca a partir del metro de profundidad, el cual podría estar afectando a este análisis puntual de potenciales hidráulicos. Las mediciones de humedad con la sonda TDR realizadas los días 3, 12 y 19 de febrero de 1999, muestran un contenido similar de humedad para el nivel de 150 cm, que se eleva ligeramente en la medición del día 12 de febrero, algo similar ocurre con las mediciones realizadas a 180 cm de profundidad.

Esto refuerza la idea que el ascenso del nivel freático se produce por flujo preferencial, al menos en este caso.

Hacia fines del mes de febrero el gradiente pasa a ser totalmente ascendente con predominancia de gradiente matricial, desde una profundidad mayor de 150 cm hasta la superficie, esto debido a la baja pluviometría en el mes, de solo 25.3 mm y a la alta evapotranspiración propia de la época estival. Como resultado de estas condiciones el nivel del acuífero descendió a 2.98 m (Figura 4 b).

Lluvias posteriores al dominio temporal del registro aquí presentado produjeron la saturación de todo el perfil, produciéndose el equilibrio potenciométrico y un ascenso del nivel freático de aproximadamente un metro.

La curva de retención de humedad refleja la capacidad de un suelo, para retener agua en función de la succión ejercida. En la Figura 4 se presentan las curvas de retención de las parcelas 1 y 2, de muestras tomadas a 30, 60 y 90 cm de profundidad. Para comparar las curvas de ambas parcelas, se las ha graficado por niveles. Las determinaciones fueron realizadas en el laboratorio de suelos de la Estación Experimental del INTA Balcarce. Este laboratorio realizó las determinaciones de humedad para cada muestra a las tensiones de 30, 100, 300, 500, 800 y 1500 Kpa. La curva se ha completado con el valor de porosidad total obtenido en campo para una tensión matricial nula. La primera parte de la curva (valores de tensión menores a la capacidad de campo) se está tratando de realizarla con mediciones en el campo mediante tensiómetros (tensión) y sonda TDR (humedad). Las mejores determinaciones de la curva de tensión humedad son las que se realizan en campo, pero desafortunadamente estas determinaciones se ven a menudo frustradas por la heterogeneidad del suelo y por incertidumbre sobre el fenómeno de histéresis (Hillel,1982). De todas maneras para el tipo de suelo que se estudia, el cual presenta una importante proporción de la fracción arcilla, y teniendo en cuenta que la medición con los tensiómetros se limita a 80 Kpa, se debe recurrir a determinaciones de laboratorio para obtener la curva de retención completa. Los valores bajos de la tensión matricial, de 0 a 100 Kpa, dependen principalmente del efecto de capilaridad, distribución de poros, y de la estructura del suelo, por lo que es importante su determinación en campo.

De la comparación de las curvas para un mismo nivel de suelo, se observa que la parcela 1 produce una mayor retención de la humedad que la parcela 2. Esto se debe al mayor contenido en arcilla que presenta el suelo de la parcela uno, especialmente en el nivel de 30 cm.

En las tablas 1 y 2 se observan los datos de punto de marchitez (1500 Kpa), capacidad de campo (30 Kpa) y la reserva de agua utilizable por las plantas, para los suelos de ambas parcelas, obtenidos a partir de la curva de retención de laboratorio. Se desprende de estos datos que el agua utilizable para los primeros 90 cm de suelo, es de 139.5 mm para la parcela 1 y de 100.5 mm para la parcela 2, observándose una reducción en el almacenamiento en la parcela 2 con respecto a la 1 en 39 mm.

Debido a la textura de estos suelos el valor de capacidad de campo se ha tomado para la tensión de 30 kpa. Para la parcela 1 el valor de la humedad volumétrica medida en campo para los niveles de 30,60 y 90 cm para la tensión de 30 Kpa prácticamente coinciden con los valores de la curva determinada en laboratorio. El término capacidad de campo se menciona aquí como un dato útil para la caracterización de los suelos de las parcelas, pero reconociendo que su definición es arbitraria, ya que como indican Hillel (1982) y Jury et al (1991), el proceso de redistribución de humedad es continuo y no exhibe un corte abrupto o niveles estáticos.

La instrumentación de las parcelas experimentales en los suelos argiudoles de la cuenca del arroyo del Azul ha permitido en esta primera etapa conocer mediante la medición del potencial hidráulico total, el comportamiento hidrodinámico en la zona no saturada en forma cualitativa. Se ha notado para la parcela 1 la presencia de posibles flujos preferenciales que producen el ascenso del nivel freático antes de la saturación del perfil de suelo, al menos para épocas muy secas.

Los procesos de recarga del acuífero, por la elevación del nivel freático, han sido temporalmente similares en ambas parcelas, esto pese a estar separadas unos 30 km una de otra, y presentarse la tosca en una de las zonas a una profundidad más somera con respecto a la restante. Esto necesitará de una más profunda investigación, pero estaría indicando a priori, que las zonas con suelos argiudoles con y sin tosca somera, podrían agruparse dentro de una misma unidad para los fines de la modelación.

Las curvas de retención de laboratorio muestran una diferencia en la retención de agua útil de 39 mm más para la parcela 1 con respecto a la parcela 2, para los primeros 90 cm de suelo y una mayor tensión con respecto al contenido de humedad para todos los niveles debido a una textura más fina.

Los datos aquí presentados revisten carácter de preliminares por cuanto explican cualitativamente algunos procesos en la zona no saturada. La búsqueda de parámetros tangibles, es el objetivo en la continuidad de esta línea de investigación.

Entraigas, I., 1995. Delimitación de áreas ecológicas homogéneas. Informe final de la beca de perfeccionamiento, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, 67 p. (inédito).

Hillel, D., 1982. Introduction to Soil Physics. Academic Press, Inc. New York. 364 p.

Jury, W., Gardner, W. y Gardner, W., 1991. Soil Physics. John Wiley and Sons Inc. New York. 317 p.

Pazos, M., 1998. Comunicación personal. Cátedra de Edafología. Facultad de Agronomía, UNCPBA. 4 p.

Varni, M., Vives, L.., Weinzettel, P., Usunoff, E. y Rivas, R., 1997. Estimación de la recarga en la zona central del acuífero del Arroyo del Azul. Actas del I Congreso Nacional de Hidrogeología, pp. 365-375.

Weinzettel, P. y Usunoff, E., 1998. Inicio de la caracterización de la zona no saturada en la cuenca del arroyo del Azul. Actas Quintas Jornadas Geológicas y Geofísicas Bonaerenses, Vol. 2, pp 51-58.