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Liceo Mixto Del Atlantico

Jose Corazon

24/4/2024

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Hidrología

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRIDUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRIDUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRIDUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica ForestalEscuela Universitaria de Ingeniería Técnica ForestalEscuela Universitaria de Ingeniería Técnica ForestalEscuela Universitaria de Ingeniería Técnica Forestal

Trabajo Fin de Carrera

““““Caracterización de lluvia simulada y su aplicación
en parcelas experimentales de erosión en taludes
de infraestructuras lineales”

Iván Martín de la Cruz

Ingeniero Técnico Forestal

Abril 2010

TUTORES

Margarita Roldán Soriano
Saturnino del Alba Alonso

A mis padres, hermano y amigos…
…A los míos porque sin ellos todas estas palabras no tendrían ningún sentido,
ninguna importancia.

AgradecimientosAgradecimientosAgradecimientosAgradecimientos

En primer lugar quiero mostrar mi agradecimiento a mis tutores,
Margarita Roldán Soriano y Saturnino del Alba Alonso por brindarme la
oportunidad de realizar este trabajo con ellos, recurrir a su capacidad y
experiencia científica y mostrarse disponibles ante cualquier problema y
duda en todo momento a lo largo de este tiempo.

En segundo lugar a mi compañero de tareas en gran parte del mismo,
Fernando Martín Verbo por su colaboración, disposición, sugerencias,
aportes y valiosas críticas durante el desarrollo de este trabajo.

También debo agradecer la participación y ayuda recibida por parte
de toda la gente del Departamento de Geodinámica de la Facultad de
Biología y Geología de la Universidad Complutense de Madrid,
especialmente a Fernando Barbero Abolafio, María Alcázar Torrealba y F.
Ivon Cermeño Martín, así como del personal de la Finca experimental “La
Higueruela”.

Por ultimo quiero dar las gracias a Nekane por su apoyo técnico,
además de su cariño, paciencia, compresión y sobre todo permitirme
compartir su alegría durante este último año.

Parte del trabajo de investigación presentado en este Trabajo Fin de
Carrera, más concretamente todo lo relativo a la experimentación realizada
con simulación de lluvia en el talud experimental de la finca La Higueruela
así como los análisis y tratamientos de los datos derivados de aquella, han
sido realizados en el marco del proyecto CLEAM (Construcción Limpia
Eficiente y Amigable con el Medioambiente). El proyecto CLEAM está
financiado en la 3ª convocatoria CENIT por el Centro para el Desarrollo
Tecnológico e Industrial (CDTI), organismo dependiente del Ministerio de
Ciencia e Innovación (MICINN). El autor de la presente memoria ha
participado para el desarrollo del proyecto integrado en el grupo de
investigación formado por investigadores de las Facultades de Geología y
Biología de la Universidad Complutense de Madrid y por personal del
servicio de I+D+i de la empresa constructora Obrascón Huarte Laín S.A
(OHL). En consecuencia, cualquier derecho derivado de la autoría y
propiedad intelectual, así como los derechos de explotación de los resultados,
de los trabajos reseñados anteriormente pertenecen al proyecto CLEAM.

ResumenResumenResumenResumen

El siguiente trabajo de investigación se centra en la caracterización
de lluvia simulada, es decir, en la determinación de los principales
parámetros que la definen, como son su distribución diamétrica, intensidad,
energía cinética o sus diámetros medios representativos. Para realizar dicha
tarea se utiliza un disdrómetro, instrumento capaz de medir la cantidad de
movimiento y el número de impactos de gota, y diversos simuladores
definidos por sus boquillas de aspersión.

Una vez conocidas sus características, estas lluvias simuladas se han
aplicado en un talud sobre microparcelas de investigación para comprobar
los efectos producidos por un apero experimental, en vía de solicitud de
patente, en la mejora de la respuesta hidrológica y erosiva de la capa
superficial del suelo.

Los resultados obtenidos muestran que el acabado producido por el
apero en contraste con el acabado convencional produce una disminución de
los volúmenes de escorrentía y sedimentos así como la modificación de sus
condiciones físicas superficiales facilitando el establecimiento y desarrollo de
vegetación.

De esta manera, y conocidas las diferencias entre lluvia natural y
simulada, se han obtenido unos resultados en los que se tienen en cuenta las
características de la lluvia empleada, que intervienen del mismo modo que
las propiedades edáficas en el comienzo y desarrollo de los procesos erosivos,
permitiendo una comparación más fiable con otros trabajos de investigación.

ÍNDICEÍNDICEÍNDICEÍNDICE

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 1111

1. Erosión1. Erosión1. Erosión1. Erosión ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 1111
1.1. El proceso de erosión..................................................................... 1
1.2. Erosión hídrica.............................................................................. 1
1.3. Influencia de la precipitación en los procesos erosivos ............... 4
1.4. Erosión en infraestructuras lineales............................................ 6
2. Justificación2. Justificación2. Justificación2. Justificación ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 7777
3. Objetivos3. Objetivos3. Objetivos3. Objetivos ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 8888

ÁREA DE ESTUDIOÁREA DE ESTUDIOÁREADE ESTUDIOÁREA DE ESTUDIO ............................................................................................................................................................................................................................................................................................ 9999

MATERIALESMATERIALESMATERIALESMATERIALES ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 15151515

1. Simulad1. Simulad1. Simulad1. Simuladores de lluviaores de lluviaores de lluviaores de lluvia ............................................................................................................................................................................................................................................................................................ 15151515
1.1. Introducción ................................................................................. 15
1.2. Tipos de simuladores de lluvia.................................................... 16
1.2.1. Simuladores goteadores.
1.2.2. Simuladores pulverizadores.
1.3. Características deseables de la lluvia simulada ........................ 22
1.4. Ventajas y desventajas del uso de simuladores ......................... 25
1.5. Usos de los simuladores de lluvia ............................................... 27
1.6. Descripción del equipo simulador de lluvia................................ 29
1.6.1. Estructura del simulador de lluvia.
1.6.2. Equipo de bombeo.
1.6.3. Boquillas.
1.6.4. Procedencia del agua.
2. Disdrómetro2. Disdrómetro2. Disdrómetro2. Disdrómetro ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 33333333
2.1. Introducción ................................................................................. 33
2.2. Descripción del aparato ............................................................... 35
2.3. Transductor.................................................................................. 36
2.4. Procesador.................................................................................... 36
2.5. Instalación ................................................................................... 39

3. Parcelas de erosión3. Parcelas de erosión3. Parcelas de erosión3. Parcelas de erosión ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 39393939
3.1. Introducción ................................................................................. 39
3.2. Objetivos de estudio con parcelas experimentales ..................... 40
3.3. Limite de las parcelas.................................................................. 41
3.4. Tamaño de las parcelas ............................................................... 44
3.5. Ventajas e inconvenientes de las microparcelas ........................ 48
3.6. Descripción e instalación de las microparcelas .......................... 49
4. Apero4. Apero4. Apero4. Apero.................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 50505050
4.1. Descripción y aplicación del apero .............................................. 50
4.2. Hipótesis de uso........................................................................... 51
5. Láser escáner5. Láser escáner5. Láser escáner5. Láser escáner ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 52525252
5.1. Introducción ................................................................................. 52
5.2. Instrumentación y metodología .................................................. 52
5.3. Ventajas del empleo del láser escáner ........................................ 54
5.4. Uso y descripción del láser escáner ............................................ 55
6. Técnica TDR6. Técnica TDR6. Técnica TDR6. Técnica TDR........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 56565656
6.1. Introducción ................................................................................. 56
6.2. Fundamento de la técnica TDR .................................................. 56
6.3. Procedimiento del cálculo de humedad del suelo ....................... 56
6.4. Ventajas del uso de la técnica TDR ............................................ 57
6.5. Control de la humedad en las microparcelas ............................. 58

MÉTODOSMÉTODOSMÉTODOSMÉTODOS .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 59595959

1.1.1.1. Calibración del simuladorCalibración del simuladorCalibración del simuladorCalibración del simulador....................................................................................................................................................................................................................................................................59595959
1.1. Introducción ................................................................................. 59
1.2. Lugar de instalación del sistema ................................................ 59
1.3. Componentes del sistema de calibración.................................... 59
1.4. Diseño experimental.................................................................... 60
1.4.1. Características de la simulación de calibración.
1.4.2. Descripción del proceso de simulación de calibración.
1.4.3. Cronograma de las simulaciones de calibración.
1.5. Generación de datos de calibración............................................. 66
2. Simulación en campo sobre los taludes2. Simulación en campo sobre los taludes2. Simulación en campo sobre los taludes2. Simulación en campo sobre los taludes.................................................................................................................................................................................... 67676767
2.1. Introducción ................................................................................. 67
2.2. Distribución de las microparcelas............................................... 67
2.3. Programa de simulaciones .......................................................... 69
2.4. Fases de las simulaciones ........................................................... 69
2.5. Descripción de la simulación....................................................... 74
2.6. Análisis de las muestras ............................................................. 77
2.7. Análisis estadístico ...................................................................... 79
2.8. Elaboración de los mapas de evolución superficial .................... 79

RESULTADOS Y DISCUSIÓNRESULTADOS Y DISCUSIÓNRESULTADOS Y DISCUSIÓNRESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................................................................................................................................ 83838383

1.1.1.1. Calibración dCalibración dCalibración dCalibración de lluvia simuladae lluvia simuladae lluvia simuladae lluvia simulada .................................................................................................................................................................................................................................... 83838383
1.1. Introducción. ................................................................................ 83
1.2. Distribución diamétrica............................................................... 83
1.2.1. Representación de los datos diamétricos.
1.2.2. Interpretación de los datos diamétricos.
1.3. Distribución volumétrica............................................................. 89
1.3.1. Representación de los datos volumétricos.
1.3.2. Diámetro mediano en volumen.
1.3.3. Interpretación de los datos volumétricos.
1.4. Distribución energética ............................................................... 95
1.4.1. Representación de los datos energéticos.
1.4.2. Diámetro mediano en energía cinética.
1.4.3. Interpretación de los datos energéticos.
1.5. Determinación de la altura terminal.......................................... 102
1.5.1. Simulador con boquilla 848.
1.5.2. Simulador con boquilla 888.
1.5.3. Simulador con boquilla 788.
2222.... CaCaCaCaracterísticas edáficas de las microparcelasracterísticas edáficas de las microparcelasracterísticas edáficas de las microparcelasracterísticas edáficas de las microparcelas............................................................................................................................................ 106106106106
2.1. Introducción ................................................................................. 106
2.2. Resultados de los análisis del suelo ............................................ 106
2.3. Diferencias edáficas..................................................................... 107
3333.... Caracterización de la lluvia simulada en campoCaracterización de la lluvia simulada en campoCaracterización de la lluvia simulada en campoCaracterización de la lluvia simulada en campo ........................................................................................................................ 108108108108
3.1. Introducción ................................................................................. 108
3.2. Distribución del tamaño de gota ................................................. 108
3.3. Tamaño representativo de gota .................................................. 110
3.4. Energía cinética ........................................................................... 111
3.5. Velocidad de caída ....................................................................... 114
4444.... Respuestas de las micrRespuestas de las micrRespuestas de las micrRespuestas de las microparcelas en las simulacionesoparcelas en las simulacionesoparcelas en las simulacionesoparcelas en las simulaciones............................................................................................ 115115115115
4.1. Introducción ................................................................................. 115
4.2. Hidrológica y erosiva ................................................................... 115
4.2.1. Representación de los datos por microparcela.
4.2.2. Comparación de las respuestas según factores.
4.2.3. Interacción de los factores.
4.2.4. Conductividad eléctrica de las muestras de escorrentía.
4.3. Humedad del suelo ...................................................................... 141
4.4. Evolución de la superficie............................................................ 143
4.4.1. Introducción.
4.4.2. Mapas superficiales de las microparcelas.
4.4.3. Coeficiente de rugosidad.

CONCLUSIÓNCONCLUSIÓNCONCLUSIÓNCONCLUSIÓN .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 161161161161

INDICE DE FIGURASINDICE DE FIGURASINDICE DE FIGURASINDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................................................................................................................................................................ 169169169169

INDICE DE FOTOGRÁINDICE DE FOTOGRÁINDICE DE FOTOGRÁINDICE DE FOTOGRÁFIASFIASFIASFIAS ................................................................................................................................................................................................................................ 173173173173

INDICE DE GRÁFICASINDICE DE GRÁFICASINDICE DE GRÁFICASINDICE DE GRÁFICAS.................................................................................................................................................................................................................................................................... 177177177177

INDICE DE TABLASINDICE DE TABLASINDICE DE TABLASINDICE DE TABLAS........................................................................................................................................................................................................................................................................................ 183183183183

BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................187187187187

ANEXOSANEXOSANEXOSANEXOS ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 193193193193

Anexo 1. Fichas de calibración de los simuladoresAnexo 1. Fichas de calibración de los simuladoresAnexo 1. Fichas de calibración de los simuladoresAnexo 1. Fichas de calibración de los simuladores
Anexo 2. Calculo de los diámetros medianos (D50Anexo 2. Calculo de los diámetros medianos (D50Anexo 2. Calculo de los diámetros medianos (D50Anexo 2. Calculo de los diámetros medianos (D50))))
Anexo 3. Fichas de simulación en campoAnexo 3. Fichas de simulación en campoAnexo 3. Fichas de simulación en campoAnexo 3. Fichas de simulación en campo
Anexo 4. Análisis de textura de las muestras de sueloAnexo 4. Análisis de textura de las muestras de sueloAnexo 4. Análisis de textura de las muestras de sueloAnexo 4. Análisis de textura de las muestras de suelo
Anexo 5. Análisis de ph y conductividad eléctrica de las muestrasAnexo 5. Análisis de ph y conductividad eléctrica de las muestrasAnexo 5. Análisis de ph y conductividad eléctrica de las muestrasAnexo 5. Análisis de ph y conductividad eléctrica de las muestras
de suelode suelode suelode suelo
Anexo 6. Cuadro de tareas de calibraciónAnexo 6. Cuadro de tareas de calibraciónAnexo 6. Cuadro de tareas de calibraciónAnexo 6. Cuadro de tareas de calibración

Introducción
1

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

1. Erosión1. Erosión1. Erosión1. Erosión

1.11.11.11.1.... El proceso de erosiónEl proceso de erosiónEl proceso de erosiónEl proceso de erosión

El término erosión procede del término latino “erodere” que en su
sentido más amplio significa el desgaste (“roer”, “corroer”) de una superficie
por agentes externos. En términos generales, la erosión supone la remoción
de la capa superficial del suelo, sea cual sea el agente responsable: agua,
viento, hielo, actuaciones humanas etc. Como resultado, el suelo manifiesta
un descenso neto de su fertilidad natural y productividad biológica mediante
la reducción del espesor efectivo, pérdida de materia orgánica y nutrientes,
degradación de la estructura física y disminución de la capacidad de
retención de agua.

Se define el fenómeno de la erosión como un proceso de desagregación,
transporte y deposición de las partículas de la masa de suelo. De este modo
determinamos que el proceso erosivo tiene tres fases principales, el
desprendimiento de las partículas individuales del suelo, su transporte,
llevados a cabo por los agentes erosivos. Y cuando la energía de estos
agentes no es suficiente se produce la tercera fase del proceso que es la
sedimentación.

La erosión, por tanto, es un proceso de desgaste que ocurre
naturalmente y depende de las características climáticas, de la naturaleza
del suelo, de la topografía y de la vegetación. No obstante, es casi siempre
magnificado por la acción del hombre. De esta manera podemos distinguir
que sobre el suelo actúan básicamente dos tipos de erosión:

· GeológicaGeológicaGeológicaGeológica (a largo plazo):::: proceso normal en el desarrollo del paisaje,
ha dado origen a la mayor parte de la topografía actual.

· AceleradaAceleradaAceleradaAcelerada:::: la acción del hombre acelera los procesos erosivos debido
a la eliminación de la vegetación natural, al exceso de laboreo, a la
pérdida de materia orgánica,…etc.

1.21.21.21.2.... Erosión hídr Erosión hídr Erosión hídr Erosión hídricaicaicaica

El agua es el agente que produce la denominada erosión hídrica, que
actúa a través de dos mecanismos: el impacto de las gotas de lluvia y la
escorrentía, que se da cuando el agua de lluvia o riego al caer al suelo en
lugar de infiltrarse o acumularse escurre sobre la superficie, pudiendo
producir estos dos mecanismos disgregación y desplazamiento de partículas.

Introducción
2

• Erosión por impactoErosión por impactoErosión por impactoErosión por impacto, la disgregación de las partículas del suelo
es debida a la acción directa de las gotas de lluvia y está relacionada con la
precipitación y con la intercepción. En ausencia de obstáculos que protejan
el suelo, el impacto de la gota sobre él es directo, mientras que la existencia
de cubierta sobre el suelo intercepta las gotas de lluvia, o bien si la altura de
esa cubierta no es elevada, reduce su fuerza erosiva.
• Erosión por acción de la escorrentíaErosión por acción de la escorrentíaErosión por acción de la escorrentíaErosión por acción de la escorrentía, la disgregación y
transporte de partículas por el flujo del agua está ligada a los procesos de
infiltración y a la propia escorrentía. La escorrentía que aparezca sobre el
suelo va a depender del desequilibrio que se establezca entre la intensidad
de la lluvia y la velocidad de infiltración, apareciendo dicha escorrentía
cuando la intensidad de la lluvia es mayor que la velocidad de infiltración, o
se supera el nivel de saturación del suelo y se completa la capacidad de
almacenamiento en las depresiones del terreno.
Por la acción de la escorrentía superficial se pueden distinguir
distintos tipos de erosión (figura 1, OAA).
• Erosión laminarErosión laminarErosión laminarErosión laminar: se produce por acción del flujo en régimen
laminar. Después de una lluvia es posible que se pierda una capa fina
extendida uniformemente a toda la superficie del suelo como si fuera una
lámina.
Es una forma peligrosa de erosión hídrica ya que esta pérdida, al
principio es casi imperceptible, y sólo será visible cuando pasado un tiempo
haya aumentado su intensidad. Los resultados de la erosión laminar se
perciben frecuentemente como manchas de suelo de color claro en las
elevaciones del terreno. El suelo superficial oscuro de otro tiempo, con su
contenido característico de materia orgánica, ha desaparecido, quedando de
manifiesto el subsuelo, más claro, pobre en materia orgánica.
Este proceso favorece la erosión en surcos y posteriormente en
cárcavas.
• Erosión Erosión Erosión Erosión en surcosen surcosen surcosen surcos: se produce por pequeñas concentraciones de
flujo. Es fácilmente perceptible debido a la formación de surcos irregulares
favoreciendo la remoción de la parte superficial del suelo. No existe ningún
límite definido que señale el final de esa erosión laminar y el comienzo de la
erosión en surcos, los cuales pueden formarse casi inmediatamente de
iniciarse el flujo superficial y pueden ser de un tamaño minúsculo o de un
tamaño que permita que se los perciba fácilmente.

Introducción
3

El desprendimiento y el transporte de partículas de suelos son
mayores en la erosión en surcos que en la erosión laminar debido a la
aceleración de la velocidad del agua en movimiento cuando esta se concentra
y desplaza en surcos.
Este tipo de erosión, en el caso de no llegar a controlarse, avanza y
llega a la etapa de cárcava.
• Erosión Erosión Erosión Erosión en cárcavasen cárcavasen cárcavasen cárcavas: : : : es un tipo de erosión que secciona
profundamente el suelo, y ocurre o cuando la escorrentía aumenta en
volumen o velocidad lo suficiente para producir grandes grietas, o cuando el
agua concentrada corre por los mismos surcos el tiempo suficiente para
ocasionar entalladuras profundas.
A menudo, se forman cárcavas en depresiones naturales de la
superficie del terreno donde se acumula el agua de escurrimiento, y con
frecuencia se inician también cárcavas en las huellas que hacen las
maquinas agrícolas y el ganado al moverse arriba y abajo en los terrenos
inclinados.
La intensidad y la amplitud de la formación de cárcavas guardan una
íntima relacióncon la cantidad y velocidad del agua de escorrentía.

FiFiFiFigura 1. gura 1. gura 1. gura 1. Tipos de erosión hídrica debidos a la escorrentía. OAA.

Introducción
4

1.31.31.31.3 . . . . Influencia de la precipitación en los procesos erosivosInfluencia de la precipitación en los procesos erosivosInfluencia de la precipitación en los procesos erosivosInfluencia de la precipitación en los procesos erosivos

La erosión hídrica, como acabamos de ver, está relacionada con la
acción de la precipitación, ya que tiene su origen en la energía del agua,
tanto al caer como al fluir sobre la superficie del suelo; es decir está
influenciada por las características de la lluvia, además de por el tipo de
suelo, forma de la ladera y el uso al que se vea sometido dicho suelo.

La pérdida de suelo va a estar muy influenciada por las propiedades
de la precipitación; por un lado, por la capacidad disgregadora del impacto
de la gota sobre el suelo y su capacidad de desplazamiento y por otro, por la
capacidad disgregadora y de transporte de la precipitación que se convierte
en escorrentía.

De este modo definimos como erosividaderosividaderosividaderosividad a la capacidad potencial
erosiva de la precipitación y como erodibilidaderodibilidaderodibilidaderodibilidad a la capacidad potencial que
presenta el suelo a erosionarse.

De los dos causantes erosivos de la lluvia, impacto de las gotas y
escorrentía, es el impacto de las gotas sobre el suelo o sobre una delgada
película de agua el que constituye el principal agente iniciador de la erosión,
fundamentalmente a través del mecanismo de salpicadura (SEMPERE
TORRES, 1994).

La capacidad erosiva del impacto de las gotas de lluvia depende de su
carga de energía, que es función de la distribución de tamaños de gota y de
la velocidad con la que impactan sobre el suelo (HUDSON, 1971).

Por otra parte, el poder erosivo efectivo del impacto de las gotas va a
depender no sólo de las propiedades de las gotas, sino también de las
propiedades del suelo y de la interacción entre ellas (PARK et al., 1982)
Durante la precipitación, parte del agua cae sobre el suelo, bien
porque no hay vegetación que proteja ese suelo, bien porque pase a través de
los huecos que deja la vegetación, pero también puede ser interceptada por
la cubierta sobre el suelo o por la vegetación aérea, y luego caer desde ella
con distintos tamaños de gota y velocidad que el de la lluvia natural. De tal
manera, que la precipitación directa sobre el suelo y el drenaje foliar son los
responsables de la erosión por salpicadura (foto 1, METEORED).
El impacto es el agente más importante para el desprendimiento y la
disgregación de las partículas, y la mayor parte de la energía que llevan las
gotas precipitadas se va a consumir en dicho proceso, siendo menor la
energía disponible en el desplazamiento de las partículas disgregadas, que
puede se más o menos importante en función de la pendiente del terreno.

Introducción
5

Las gotas pueden llegar a ser muy erosivas cuando golpean un suelo
sin vegetación, proporcionando, además de la fuerza disgregadora, una
fuerza de consolidación que compacta el suelo. El efecto de esta fuerza de
consolidación donde mejor se aprecia es en la formación de una costra
superficial, normalmente de pocos milímetros, que aparece como
consecuencia de la reducción de poros por compactación, favoreciéndose
también, en este caso, la generación de la escorrentía. (MORGAN, 1997).
Por otro lado, la exposición continua o frecuente del suelo a lluvias
intensas con gotas grandes, y por tanto con velocidades también elevadas,
puede debilitar mucho el suelo ante posibles lluvias posteriores, aunque sus
intensidades sean menores, ya que al romperse los posibles agregados
estructurales del suelo, se elimina la resistencia que pudiese ofrecer ese
suelo a dichas lluvias.

Foto 1Foto 1Foto 1Foto 1.... Impacto de gotas de lluvia contra el suelo. METEORED.
El efecto del impacto sobre el suelo puede resumirse en los siguientes
aspectos:
• Disgregación de los agregados de la capa superficial del suelo.
• Desestabilización de los agregados y debilitamiento del suelo
frente a posibles aguaceros.
• Desplazamiento por salpicadura de las partículas disgregadas
por el impacto.

Introducción
6

• Compactación y sellado de la capa superficial del suelo y
contribución a la generación de escorrentía.
• Contribución al aumento del efecto disgregador de la
escorrentía que se ve favorecido por la presencia de partículas sólidas en su
flujo.
1.41.41.41.4. . . . Erosión en infraestructuras linealesErosión en infraestructuras linealesErosión en infraestructuras linealesErosión en infraestructuras lineales

La construcción de infraestructuras lineales, ya sean carreteras o una
línea de ferrocarril, generan superficies expuestas de materiales del suelo y
del subsuelo, con pendientes fuertes e inicialmente desprovistas de
cualquier tipo de vegetación, los taludes. Estas construcciones reproducen
los procesos geomorfológicos que operarían durante miles de años para
formar laderas y valles (desmontes) o acumulaciones sedimentarias
(terraplenes), y provocan que estas nuevas superficies sean especialmente
vulnerables a la erosión hídrica debido a que los procesos de erosión sobre
las nuevas formas del relieve buscan reestablecer un nuevo equilibrio entre
las formas del terreno creadas por la acción humana y los procesos
geomorfológicos activos que son característicos de las condiciones
ambientales locales (SCHUMM y REA, 1995).

Las principales causas de la erosión hídrica en taludes son las
siguientes (FAO, 1986):

• Eliminación o reducción de la cobertura vegetal.
• Destrucción o deterioro de la estructura y fertilidad natural del
suelo.
• Incremento de la pendiente.
• Disminución en la tasa de infiltración por efecto de la
compactación por explanación.

FotoFotoFotoFoto 2222. Ejemplo de erosión en taludes. DE ALBA.
Introducción
7

La inestabilidad del sustrato de taludes de infraestructuras lineales
debida a la erosión hídrica, por un lado limita extraordinariamente las
posibilidades de su restauración y por otro lado, la emisión de sedimentos
procedentes de los mismos (sobre todo de desmontes) produce grandes
acumulaciones de materiales que pueden afectar a las propias
infraestructuras o bien impactos negativos desde un punto de visto
hidrológico al llegar a la red fluvial más cercana.

Para contrarrestar estos procesos, los taludes son tratados,
habitualmente, mediante medidas estructurales y tratamientos de
revegetación (plantaciones e hidrosiembras). Las mantas orgánicas son otro
de los métodos utilizados para evitar la erosión hídrica que se produce en
taludes con altas pendientes.

Pero en muchos casos no existen tratamientos o bien tienen una
eficacia limitada para proteger estos espacios de la erosión hídrica en
ambientes mediterráneos. Es frecuente encontrar ejemplos de taludes
fuertemente erosionados con redes de regueros y cárcavas muy
desarrolladas y con porcentajes muy bajos de cubierta vegetal (foto 2, DE
ALBA).

2. Justificación2. Justificación2. Justificación2. Justificación

Como ya se ha señalado antes en este capítulo, la erosión hídrica está
muy relacionada con la precipitación. Este trabajo se centra en la
descripción y caracterización de lluvia simulada y su posterior aplicación en
un talud experimental, teniendo en cuenta que hoy en día los simuladores
de lluvia son una herramienta útil, dependiendo de su uso y de la
información necesaria, y su empleo está muy extendido en los estudios de
erosión.

Con la fase de calibración y caracterización se pretende definir las
principales propiedades de la lluvia simulada, es decir de la precipitación
empleada, ya que estas juegan, al igual que las característicasedáficas, un
papel importante en el inicio o desarrollo de los procesos erosivos, y aportan
una información que hasta ahora, ya fuera por no disponerse de los medios
adecuados para su obtención o por simple omisión de la misma, no ha sido
reflejada o contemplada en la mayoría de los ensayos sobre erosión que han
trabajado con precipitaciones simuladas.

Esta fase del trabajo se realiza conjuntamente con el también alumno
de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Forestal, Fernando
Martín Verbo. En el apartado de los Anexos se detallan las distintas tareas
y trabajos realizados por ambos en esta fase.

Introducción
8

De manera independiente, también se expone el procedimiento de
aplicación de la lluvia simulada en unos ensayos llevados a cabo sobre un
talud experimental para evaluar los efectos de distintas alternativas de
acabado de la superficie sobre la respuesta hidrológica y erosiva del mismo,
así como su evolución y los resultados obtenidos.

Esta segunda parte del trabajo esta enmarcada dentro de los estudios
del proyecto CLEAM (Construcción Limpia Eficiente y Amigable con el
Medioambiente), dependiente del Ministerio de Ciencia e Innovación
(MICINN) e insertada en el programa de actividades I+D+i de la Comunidad
de Madrid para la restauración ecológica de entornos degradados, y es
realizada en colaboración con un grupo de investigación de la Universidad
Complutense de Madrid (UCM).

3. Objetivos3. Objetivos3. Objetivos3. Objetivos

Presenta dos objetivos bien diferenciados. Este trabajo busca describir
por un lado, la caracterización de lluvia simulada y por otro, la evolución de
la erosión hídrica producida por dicha lluvia en taludes de investigación de
infraestructuras lineales.

El primer objetivo del trabajo es intentar caracterizar la lluvia
simulada, conociendo la distribución diamétrica de las gotas, su intensidad,
su energía cinética y los diámetros medios representativos, es decir las
principales características que definen la lluvia. Para de esta manera, y
conociendo las deficiencias de los simuladores y las diferencias entre lluvia
natural y lluvia simulada, poder trabajar con el simulador en unas
condiciones tales que puedan ser equiparables a las características de una
lluvia natural determinada y además abrir la posibilidad de presentar un
protocolo de la metodología aplicable en otros estudios en los que se maneje
lluvia simulada. Este primer objetivo se llevará a cabo en la EUIT Forestal.

Un segundo objetivo será determinar la respuesta erosiva y evolución
producida en taludes de investigación por lluvias simuladas de distinta
intensidad, previamente caracterizadas, y la aplicación de un tratamiento
mediante el uso de un apero, en proceso de estudio, que busca incidir sobre
propiedades físicas del suelo como la rugosidad superficial, compactación,
porosidad, permeabilidad, aireación,… etc., en la superficie de dichos
taludes mejorando y facilitando de este modo la instalación de vegetación.
El segundo objetivo se llevará a cabo en las parcelas experimentales del
CSIC.

Área de Estudio
9

ÁREA DE ESTUDIOÁREA DE ESTUDIOÁREA DE ESTUDIOÁREA DE ESTUDIO

1.1.1.1. Calibración del simuladorCalibración del simuladorCalibración del simuladorCalibración del simulador

1.1.1.1.1.1.1.1. Situación de la zona de trabajo Situación de la zona de trabajo Situación de la zona de trabajo Situación de la zona de trabajo

El equipo de toma de datos para la calibración del simulador de lluvia
se instaló en la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Forestal en la
Ciudad Universitaria de Madrid.

Para la recogida de datos de la lluvia simulada mediante el uso del
disdrómetro se necesita un lugar que permita trabajar con el simulador de
lluvia a distintas alturas, proporcione cierta protección al cono de lluvia
frente al viento durante las simulaciones y este libre de obstáculos que
puedan afectar y distorsionen, efecto rebote, en la toma de datos.

El lugar elegido para la realización de las simulaciones de calibración
y que cumple esas condiciones es el pequeño patio y la escalera de incendios
situado en la salida de emergencia de la planta baja de la Escuela, junto a
las Unidades Docentes de Hidráulica e Hidrología y Motores (foto 3). Este
lugar proporciona además debido a su cercanía al laboratorio de la Unidad
Docente de Motores, una toma de agua consistente en un grifo que permite
una sencilla conexión, y facilita la instalación en el propio laboratorio de
todo el equipo para la toma de datos.

Foto 3Foto 3Foto 3Foto 3.... Equipo instalado en la zona de simulación de la Escuela.

Área de Estudio
10

2.2.2.2. SSSSimulación en campo sobre los taludesimulación en campo sobre los taludesimulación en campo sobre los taludesimulación en campo sobre los taludes

2.1. Situación de la zona de trabajo2.1. Situación de la zona de trabajo2.1. Situación de la zona de trabajo2.1. Situación de la zona de trabajo

El trabajo de campo, es decir las simulaciones sobre el talud de
investigación, ha sido realizado en la Finca Experimental La Higueruela,
que pertenece al Centro de Ciencias Medioambientales del CSIC, donde
investigadores de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) trabajan
desde principio de los años noventa. Está ubicada entre los términos
municipales de Santa Olalla y Maqueda, al norte de la provincia de Toledo,
en la denominada comarca de Torrijos (figura 2, DE LA HORRA), y sus
coordenadas UTM son 379.000; 4.345.400; 440.

2.2. Climatología, geología y topografía2.2. Climatología, geología y topografía2.2. Climatología, geología y topografía2.2. Climatología, geología y topografía

El clima dominante de la zona es el Mediterráneo Continental
Semiárido (OLIVER et al., 1980), con una precipitación anual media en
torno a los 450mm repartidos principalmente en los meses de otoño e
invierno y unas temperaturas medias que varían desde 5ºC en invierno a
25ºC en verano.

Geológicamente la zona de trabajo pertenece a la gran porción
meridional de la meseta central española y corresponde a la cuenca
hidrológica del río Alberche, encontrándose en la fosa tectónica del Tajo,
entre el Sistema Central y los Montes de Toledo. Se enmarca en la Región
Mediterránea Occidental, siendo limítrofe de dos provincias biogeográficas,
La Luso-Extremadurense y la Castellano-Maestrazgo-Manchega.

Figura 2Figura 2Figura 2Figura 2.... Comarca de Torrijos en la provincia de Toledo. DE LA HORRA.

Área de Estudio
11

Topográficamente, la zona se caracteriza por ser bastante llana, con
suaves ondulaciones fruto del encajamiento de la red fluvial cuaternaria y
pendientes medias entre el 5 y el 15%.

2.3. Edafología2.3. Edafología2.3. Edafología2.3. Edafología

Según la cartografía de suelos de DE LA HORRA RUIZ realizada a
escala 1:100.000 en 1992 siguiendo los criterios de Clasificación de Suelos de
la FAO (1981), el área de estudio comprende dos tipos principales de suelos.
El primer grupo son suelos evolucionados con horizontes Bt argílicos de los
tipos Luvisol cálcico (Lk) o Luvisol órtico (Lo) en función de que presenten
horizontes cálcicos subsuperficiales o no. Y junto a éstos, un segundo grupo
de suelos menos desarrollados de los tipos Cambisol cálcico (Bk) o eútrico
(Be), dependiendo de la presencia o no de horizontes cálcicos.

En concreto, el campo experimental presenta un suelo Luvisol vértico
(Lv) con un perfil caracterizado por una secuencia de horizontes del tipo
Ap/Bt/CB. El horizonte Ap, de textura franco arenosa y estructura granular
gruesa, corresponde a un horizonte de diagnóstico tipo ócrico,
completamente disturbado por las labores de cultivo, y por tanto de tipo
antrópico. El horizonte subsuperficial Bt presenta una textura franco-
arcillo-arenosa conrasgos de acumulación de arcilla iluvial, y un contenido
en arcilla superior a la del horizonte superficial, por lo que ha sido
clasificado como horizonte de diagnóstico de tipo árgico.

Un resumen descriptivo de los distintos horizontes (DE ALBA, 1998)
que se encuentran en la zona de estudio es el siguiente:

ApApApAp (0-24 cm). 10 YR 4,5/4 en húmedo y 10 YR 5/3 en seco. Estructura
granular gruesa a muy gruesa, débil y de consistencia muy friable en
húmedo. Pocos poros radiculares muy finos. No calcáreo. Frecuentes raíces
muy finas y finas. Algunos rasgos de actividad de la fauna (galerías y
presencia de fauna). Límite brusco y plano.

BtBtBtBt (24-130 cm). 10 YR 4/3,5 en húmedo y 10YR 5/4 en seco.
Estructura prismática, de mediana a gruesa, fuerte y de consistencia muy
duro en seco. Escasas gravillas (<5%) de cuarcita de hasta 7cm de eje mayor.
Frecuentes grietas de hasta 15 mm de grosor rellenas de material del
horizonte A. Frecuentes poros, inter e intragregados, muy finos y finos.
Algunas superficies de fricción. Cutanes de arcilla iluvial delgados y
discontinuos. No calcáreo. Posible presencia de carbonatos. Frecuentes
raíces muy finas y muy pocas gruesas. Escasos rasgos de actividad de la
fauna (galerías y coprolitos). Límite brusco y ondulado.

Área de Estudio
12
CCCCBBBB (+130 cm, hasta 170 cm). 10 YR 5/6 en húmedo y 10 YR 5/4 en
seco. Estructura poliédrica subangular, de mediana a gruesa, moderada y de
consistencia firme en húmedo. Cutanes de arcilla delgados y zonales. No
calcáreo. Frecuentes poros muy finos. Muy pocas raíces finas.

En general, el suelo es pobre respecto a la fertilidad, con contenidos
muy bajos en materia orgánica y nitrógeno total.

2.42.42.42.4. . . . DeDeDeDescripción scripción scripción scripción y características del taludy características del taludy características del taludy características del talud

El talud de investigación ha sido construido para la realización de un
seguimiento de las respuestas hidrológicas y erosivas tras la aplicación del
apero en su superficie. Dicho talud se divide en dos zonas, una primera que
se destina al estudio con lluvia natural, y una segunda donde se realizan la
secuencia de simulaciones de lluvia de distinta intensidad objeto de este
trabajo (figuras 3 y foto 4).

Las características que definen a la zona del talud donde se van a
realizar las simulaciones de lluvia son las siguientes:

- Longitud: 15 m.
- Desnivel: 2-2,5 m.
- Pendiente media: 35°.
- Exposición sur-sureste.

Figura 3Figura 3Figura 3Figura 3. . . . Esquema del talud.

m
5 m
2-2,5
m
15 m
10 m
35º
Área de Estudio
13

Foto 4Foto 4Foto 4Foto 4.... Panorámica del talud durante las simulaciones.

La determinación de la litología superficial del talud en cada una de
las microparcelas, instrumentos experimentales que permiten la medición
de escorrentía y sedimentos en una superficie, se presenta en el apartado de
Características litológicas de las microparcelas en Resultados y Discusión,
donde se comparan los datos de cada uno de los horizontes descritos
anteriormente y los datos analizados de las muestras de suelo recogidas del
talud.

Área de Estudio
14

Materiales
15

MATERIALESMATERIALESMATERIALESMATERIALES

1111. Simuladores de lluvia. Simuladores de lluvia. Simuladores de lluvia. Simuladores de lluvia

1.1. 1.1. 1.1. 1.1. IntroducciónIntroducciónIntroducciónIntroducción

Los simuladores de lluvia son instrumentos de investigación
diseñados para aplicar agua de forma similar a los episodios de lluvias
naturales. Son útiles para obtener datos de erosión, infiltración, escorrentía
superficial y transporte de sedimentos. No obstante, las características de la
lluvia natural han de ser simuladas de forma adecuada.

El principal problema que presentan es la falta de similitud para
replicar las características de un episodio natural específico ya que su
utilización viene determinada por la necesidad de tener bajo condiciones
controladas las características de la lluvia, intentando una aproximación lo
más acertada posible a las condiciones de la lluvia natural.

Por el contrario, su principal ventaja reside en la posibilidad de tomar
numerosas mediciones sin necesidad de tener que esperar las
precipitaciones naturales.

A continuación se repasa la historia y evolución de los simuladores de
lluvia y se revisan las ventajas y los inconvenientes de la lluvia simulada.

La razón por la que los investigadores de los años 30 y 40 decidieron
utilizar lluvia simulada para realizar mediciones de infiltración, perdida de
suelo y escorrentía esta basada en el intento de reproducir el proceso de
transformación de la lluvia en escorrentía, y los procesos anexos:
salpicadura, formación de arroyada, desarrollo de costras,… etc., y sobre
todo infiltración. La mejora de los simuladores de lluvia con el paso del
tiempo ha sido evidente y ello ha permitido que se hayan podido destinar a
estudiar diferentes componentes del ciclo hidrológico aunque las relaciones
lluvia-escorrentía, infiltrabilidad y perdida de suelo han sido los aspectos
mas tratados (JOHNSTON et al., 1980).

En España la expansión de los simuladores de lluvia se inicio con
retraso respecto a otros países, aunque en los últimos 20 años han sido
utilizados por muchos de los grupos de investigación dedicados al estudio de
la erosión del suelo.

Materiales
16

1.2. 1.2. 1.2. 1.2. Tipos de simuladores de Tipos de simuladores de Tipos de simuladores de Tipos de simuladores de lluvialluvialluvialluvia

Hay dos grandes grupos de simuladores de lluvia. En uno las gotas de
lluvia se precipitan a muy baja presión (goteadores), mientras que en los
otros las gotas se generan a partir del paso de agua a presión por las
boquillas (pulverizadores). Estas diferencias suponen características
distintas de las gotas de lluvia simulada y además determinan las
características del aparato que en el primero de los casos hace que sea muy
difícil su uso en el campo (DE PLOEY, 1983).

1.2.1.1.2.1.1.2.1.1.2.1. Simuladores goteadoresSimuladores goteadoresSimuladores goteadoresSimuladores goteadores

Los primeros simuladores de lluvia que se construyeron fueron de tipo
goteador. Aunque su construcción y uso se produjo durante los años 30, la
publicación de los primeros resultados no llego hasta pasada una década.
Estos aparatos se caracterizan por su reducida complicación técnica, ya que
consisten en formar gotas individuales y dejarlas precipitar desde ciertas
alturas.

El origen y desarrollo de los simuladores de lluvia goteadores fue
paralelo al de dos temas de gran interés en la época. Por una parte los
estudios sobre las características físicas de la lluvia (LAWS, 1941). Por otra,
el estudio de la estabilidad de los agregados del suelo mediante el golpeteo
de una o varias gotas sobre los agregados (foto 5, METEORED).

Foto 5.Foto 5.Foto 5.Foto 5. Impacto de lluvia sobre el suelo desnudo. METEORED.

Materiales
17

En las dos ultimas décadas, se ha producido un aumento en la
construcción de simuladores goteadores muy sencillos con dedicación
exclusiva para trabajos específicos de laboratorio. La razón de esto es que en
algunos tipos de experimentos no hace falta conseguir imitar la lluvia
natural, solo conocer la entrada en el sistema suelo de una determinada
cantidad de agua (HINO et al., 1988). Una característica muy particular de
los simuladores de laboratorio es que en ocasiones solo son partede otro
simulador mayor, aprovechándose de las grandes posibilidades que ofrece la
precisión del trabajo en laboratorio: electricidad, inexistencia de viento,
paredes que pueden funcionar como soporte,...etc.

La ventaja de trabajar en los laboratorios hace que los simuladores
puedan ser mucho más sencillos que los utilizados en el campo, ya que un
simple montaje de una bureta en alto con diferentes capilares para poder
crear gotas de diferentes tamaños puede ser considerado como un simulador
de lluvia, pero la mayoría de las veces los resultados obtenidos en
laboratorio no son extrapolables a las condiciones naturales en campo.

1.2.2. 1.2.2. 1.2.2. 1.2.2. Simuladores pulverizadoresSimuladores pulverizadoresSimuladores pulverizadoresSimuladores pulverizadores

Durante la década de los 40, y especialmente los 50 y 60, aparecieron
los simuladores de lluvia del tipo pulverizadores, los cuales vieron
incentivado el crecimiento de su número cuando se comprobó que una de las
características de la lluvia natural es su elevada energía cinética.

El sistema productor de la lluvia en estos instrumentos es a partir del
paso del agua a presión por una boquilla que dispersa o pulveriza el agua.
Las boquillas provienen de diseños dedicados a la irrigación, extinción de
incendios, o bien dedicadas a simular la lluvia, pero casi siempre con fines
agronómicos.

La primera generaciónprimera generaciónprimera generaciónprimera generación de simuladores pulverizadores (figuras 4 y 5,
CERDÁ) se inicio con el desconocimiento de las características físicas de la
lluvia, lo que llevo a que las boquillas se orientasen hacia arriba, perdiendo
de esta forma toda la energía cinética complementaria fruto de la velocidad
inicial de las gotas. En general, el uso de este diseño se encaminó a estudios
de infiltrabilidad de suelos, en los que la energía cinética de la lluvia tenía
una importancia secundaria.

Materiales
18

Figura Figura Figura Figura 4444. Sencillo simulador. CERDÁ.

Figura 5Figura 5Figura 5Figura 5.... Simulador pulverizador de movimiento alternativo. CERDÁ.

Una segunda generaciónsegunda generaciónsegunda generaciónsegunda generación de simuladores fue fruto del incremento de
los estudios sobre conservación de suelo a finales de la década de 1950 en
USA., lo que hizo posible la aparición del primer simulador de lluvia con la
suficiente energía cinética para compararse a la precipitación natural. El
rainulator, nombre que le dan sus mismos autores (figura 6, MEYER y
McCUNE, 1958), se utilizará principalmente para la obtención de
evaluaciones comparativas de suelos, agua, cultivos y manejo de los factores
en unas condiciones de parcela determinados.

Materiales
19

Figura Figura Figura Figura 6666. Líneas de lanzas de movimiento alternativo. MEYER.

La tercera generacióntercera generacióntercera generacióntercera generación de simuladores pulverizadores surgió con la
intención de reducir la aparatosidad y costes del rainulator. La primera
solución para esto fue la de SWANSON (1965) (figura 7), la cual consistía en
acoplar las boquillas a un aspersor de molinete móvil para producir lluvia
simulada sobre las mismas parcelas del rainulator. Todas las mejoras
estaban encaminadas para la realización de estudios agronómicos, donde se
podían utilizar grandes instrumentos sobre superficies amplias y llanas.

Con la cuarta generacióncuarta generacióncuarta generacióncuarta generación de simuladores de lluvia por pulverización,
se pasa a trabajar con instrumentos más pequeños y manejables, dedicados
al estudio de ambientes poco accesibles. Entre ellos, el Infiltrómetro
dispersador de Pardue fue el diseño mas conocido (figura 8, BERTRAND y
PARR, 1961). Las continuas modificaciones del diseño original han hecho
que este simulador sea aun utilizado en la actualidad, estando dedicado
sobre todo al estudio del proceso de infiltración (SHRINER et al., 1977;
MARTINEZ et al., 1979).

Materiales
20

Figura Figura Figura Figura 7777. Brazos giratorios que transportan lanzas. SWANSON.

La reducción de la intensidad de la lluvia simulada, tan interesante
para los estudios de infiltración, fue una de las obsesiones de los
investigadores que utilizaban instrumentos de pequeño tamaño durante la
década de los 60. Sobre esta idea nace la quinta generaciónquinta generaciónquinta generaciónquinta generación de simuladores,
la cual se caracteriza por el uso de discos cortadores de lluvia, que facilitan
la producción de gotas de tamaños grandes con bajas intensidades de lluvia
(figura 9, MORIN et al., 1967). El suelo solo recibe lluvia de forma
intermitente debido a que por debajo de la boquilla se coloca un disco
rotatorio con una muesca que corta el cono de lluvia y controla su
intensidad.

Figura 8Figura 8Figura 8Figura 8.... Dispersión constante con lanza fija. BERTRAND y PARR.

Materiales
21

Figura 9Figura 9Figura 9Figura 9.... Disco rotatorio. MORIN.

Tras el desarrollo de las cinco fases mencionadas en la construcción
de simuladores de lluvia se inicio una diversificación en los diseños que se
inicia a finales de los años 60. Esto supuso la aparición de la sexta sexta sexta sexta
generacióngeneracióngeneracióngeneración, la cual no tiene una característica común, excepto que el diseño
esta de acuerdo con los objetivos de la investigación y se tiende a una mejora
en la flexibilidad de los componentes del instrumento y su versatilidad.
Diseños de esta sexta generación son muy abundantes, ya que muchos
autores han modificado parcialmente antiguos aparatos (cambios de
estructura, protectores de viento,…etc.) para adecuarlos a nuevos temas de
investigación (figura 10, HUDSON, 1981). En otros casos, los diseños son
completamente nuevos, pero siempre manteniendo la transportabilidad y
fácil montaje del simulador en el campo aunque las parcelas puedan ser
muy grandes (CERDA, 1995).

En algunas ocasiones, se ha preferido una automatización y
sofisticación que ha llevado a la construcción de instrumentos de elevados
costes. Estos diseños surgidos mayoritariamente en la década de los 80
están imbricados en la sexta generación, pero por sus características, se
pueden clasificar dentro de la séptima generaciónséptima generaciónséptima generaciónséptima generación en la cual la
programabilidad de los simuladores es su mayor innovación.

Materiales
22

Figura 10Figura 10Figura 10Figura 10.... Lanza rotatoria. HUDSON.

1.3.1.3.1.3.1.3. Características deseables de la lluvia simulada Características deseables de la lluvia simulada Características deseables de la lluvia simulada Características deseables de la lluvia simulada
Conviene que todas las características físicas de la lluvia natural se
reproduzcan lo más fielmente posible, pero es aceptable cierta elasticidad en
aras de la simplicidad y de la economía de costos. Las principales
características reproducibles son:
Tamaño medio de la gotaTamaño medio de la gotaTamaño medio de la gotaTamaño medio de la gota; las gotas de lluvia natural varían desde un
tamaño insignificante en la niebla hasta un máximo de 6 o 7 mm de
diámetro. Este es el límite físico superior del tamaño de la gota y por encima
de esa dimensión cualquier gota que se forme como resultado de la unión de
más de una gota será inestable y se dividirá en gotas más pequeñas. El
diámetro medio o mediano de una gota oscila entre2 y 3 mm y varía con la
intensidad.
La distribución La distribución La distribución La distribución del tamañodel tamañodel tamañodel tamaño de de de de gotas gotas gotas gotas varía de unas precipitaciones a
otras; las precipitaciones ciclónicas en los climas templados están
principalmente compuestas de gotas de tamaño pequeño o mediano, pero las
tempestades tropicales de gran intensidad tienen una proporción mayor de
gotas grandes. Esta distribución varía con la intensidad, existiendo un
mayor número de gotas de tamaño mayor para lluvias de intensidad
elevada.
Materiales
23

Gráfica 1.Gráfica 1.Gráfica 1.Gráfica 1. Relación velocidad-altura de caida. LAWS.

Velocidad de caídaVelocidad de caídaVelocidad de caídaVelocidad de caída; las gotas de lluvia que caen alcanzan una
velocidad máxima (o terminal) cuando la fuerza de aceleración gravitacional
es igual a la resistencia de la gota que cae a través del aire. La velocidad
terminal es función del tamaño de la gota y aumenta hasta un máximo
cercano a los 9 m/s para las gotas mayores (gráficas 1, LAWS, 1941; y
gráfica 2 y tabla 1, EPEMA y RIEZEBOS, 1983).
La energía cinéticaLa energía cinéticaLa energía cinéticaLa energía cinética de la lluvia es la suma de las energías cinéticas de
las gotas individuales y es función del tamaño y de la velocidad de cada una
de las gotas precipitadas. Esa energía cinética de la lluvia define la
erosividad intrínseca de la lluvia ó capacidad potencial de la lluvia para
producir erosión, por eso el conocimiento de esa energía cinética es muy
importante en los estudios de erosión hídrica y por eso es también una
característica a tener en cuenta en la lluvia simulada cuando se quiere
conocer el efecto de una determinada lluvia en el proceso de erosión hídrica.
Materiales
24

Gráfica 2. Gráfica 2. Gráfica 2. Gráfica 2. Relación velocidad de caída/diámetro de gota. EPEMA y RIEZEBOS.

Tabla 1Tabla 1Tabla 1Tabla 1. Velocidad de caída de gotas de lluvia según tamaño y altura. EPEMA y RIEZEBOS.
Sería conveniente que hubiera uniformidad enuniformidad enuniformidad enuniformidad en la distribución espacial la distribución espacial la distribución espacial la distribución espacial
de la lluviade la lluviade la lluviade la lluvia sobre las parcelas de ensayo.

Materiales
25
1.4. 1.4. 1.4. 1.4. Ventajas y desventajas del uso de simuladoresVentajas y desventajas del uso de simuladoresVentajas y desventajas del uso de simuladoresVentajas y desventajas del uso de simuladores
Las principales ventajas de la utilización de simuladores de lluvia
son:
• Capacidad de tomar numerosas mediciones y la repetición de
ensayos rápidamente sin tener que esperar las precipitaciones naturales.
• Posibilidad de trabajar con precipitaciones constantemente
controladas, eliminando de ese modo la variabilidad de la lluvia natural.
• Posibilidad de comparación de ensayos.
• Reproducción del muestreo en condiciones comparables o
diferentes.
Pero los simuladores de lluvia también presentan inconvenientes.
Como principales desventajas de los simuladores podemos señalar:
• Los problemas que se presentan a la hora de comparar datos
entre lluvia simulada y real, debido al desconocimiento en la mayoría de los
casos de los parámetros de la lluvia simulada, como son los diámetros
medios, energía cinética, distribución espacial, velocidad …etc.

Foto 6Foto 6Foto 6Foto 6.... Distintos simuladores protegidos contra el viento. MARTÍNEZ-MENA.

Materiales
26

• Es barato y sencillo utilizar un simulador sobre una parcela de
ensayo de unos pocos metros cuadrados, pero los simuladores para cubrir
grandes parcelas de campo, como pueden ser las parcelas agrícolas, son
caros y voluminosos.
• Las mediciones a partir de pruebas con simuladores efectuadas
en pequeñas parcelas no pueden extrapolarse a superficies más extensas, es
preferible limitarlas a comparaciones.
• La posibilidad de que los simuladores se vean afectados por el
viento (foto 6, MARTÍNEZ-MENA, 2001), que aunque se puede paliar,
supone la necesidad de montar parabrisas o cortavientos, cuestión que
reduce la ventaja de la simplicidad.
Por otra parte los simuladores goteadores presentan de por sí una
serie de desventajas añadidas debido a su diseño, entre los que destacan los
siguientes:

• En general, los simuladores goteadores tienen un fácil control
sobre determinadas características de la lluvia como puede ser la variación
en el tamaño de gota, en estos instrumentos son muy dispares, pero por el
contrario presentan deficiencias en cuanto a la altura. La desventaja
principal de los simuladores es que en ellos la lluvia simulada no alcanza la
energía cinética de la lluvia natural, y para esto, los formadores de gotas
deberían estar muy elevados para los tamaños de gota mayores. Esto explica
la reducida utilización en trabajos de campo de los simuladores goteadores.

• Otro de los problemas concretos de los simuladores goteadores
es que el impacto de las gotas de lluvia se produce siempre en el mismo
punto, perdiéndose así una de las características de la lluvia natural, la
estocasticidad.

• En determinados tipos de ensayos estos simuladores también
son de difícil manejo por el deposito de agua elevado que deben de tener, por
la necesidad de montarlos a gran altura y por el propio consumo de agua.

• Una última deficiencia de este tipo de simuladores es que las
gotas producidas, en casi todos ellos, son del mismo tamaño a diferencia de
lo que sucede en lluvia natural.

Materiales
27

1.5. 1.5. 1.5. 1.5. Usos de los simuladores de lluviaUsos de los simuladores de lluviaUsos de los simuladores de lluviaUsos de los simuladores de lluvia
A continuación se dan algunos ejemplos de temas de experimentos
que se han llevado a cabo y son adecuados para el uso de simuladores,
siempre de manera relativa, es decir comparando ensayos entre sí cuando
las condiciones del simulador son las mismas.
• La protección que proporcionan diferentes densidades de
plantas.
• La protección proporcionada en diferentes momentos durante el
desarrollo del cultivo.
• Estudios comparativos de erosionabilidad y erodibilidad.
• Estudios comparativos de las características de la infiltración
del suelo, dependiendo del tipo de precipitación.
Pero también hay que resaltar los principales inconvenientes que
presentan los simuladores en la obtención de datos y sobre todo la posterior
comparación de los mismos con fenómenos naturales de lluvia.
Por ejemplo en muchos trabajos se afirma que un simulador trabaja
con una intensidad determinada de lluvia simulada y que se corresponde
con esa misma intensidad de lluvia natural, pero en realidad no se
corresponde, porque los diámetros de gotas son distintos, sus energías
cinéticas también, su distribución de diámetros de gotas…etc., es decir los
parámetros de la lluvia simulada no son los mismos que en lluvia natural, al
ser desconocidos sino en su totalidad si parcialmente, y por lo tanto también
los datos obtenidos en el ensayo simulado no pueden ser comparables
exactamente con valores de lluvia real.
Otro ejemplo son determinados estudios sobre infiltraciones y
escorrentía del suelo donde se afirma que no es necesario que las
precipitaciones simuladas tengan las mismas características que la lluvia
natural (CERDA, 1997), cuestión que puede ser cierta en algunas ocasiones
pero no en todos los tipos de ensayo o estudios. En concreto, en trabajos
sobre la compactación del suelo, factor determinante en la infiltración y la
escorrentía, donde al no determinar algunos parámetros de la lluvia
simulada como es la energía cinética de la misma se desprecian factoresque
influyen de manera determinante en el proceso de compactación como
sucede con el golpeteo de la gota, íntimamente ligado a la energía cinética de
la misma. Además, en este tipo de estudios al trabajar con lluvia simulada
habría que tener en cuenta que de los dos causantes erosivos de la lluvia,
impacto de las gotas y escorrentía, es el impacto de las gotas sobre el suelo o
sobre una delgada película de agua el que constituye el principal agente
Materiales
28

iniciador de la erosión a través del mecanismo de salpicadura (SEMPERE
TORRES, 1994). Como ya se explicó anteriormente, la capacidad erosiva del
impacto de las gotas de lluvia depende de su carga de energía, que es
función a su vez de la distribución de tamaños de gota y de la velocidad con
la que impactan sobre el suelo (HUDSON, 1995). Por otra parte el poder
erosivo del impacto de las gotas va a depender no sólo de las propiedades de
las gotas, sino también de las propiedades del suelo y de la interacción entre
ellas (PARK et al., 1982).
Para solucionar esta cuestión en los simuladores que aportan agua
con presión es necesario establecer la altura a partir de la cual las gotas
generadas por los aspersores del simulador son equiparables a las de lluvia
natural, ya que a una determinada altura, esas gotas vuelven a recuperar
su velocidad terminal y su energía puede ser comparada a la de las gotas del
mismo tamaño pero de lluvia natural.
Otra de las posibilidades que ofrecen las mejoras en los simuladores
de lluvia actuales es la capacidad de cambiar la intensidad de la lluvia
durante la realización de los experimentos, es decir, programar el simulador
con distintas cantidades de lluvia en distintos tiempos. Pero en estos casos,
al igual que en los anteriores, tampoco se determina la variabilidad de los
parámetros de la lluvia simulada, solo se conoce la cantidad total de lluvia
precipitada, a no ser que como en el caso anterior se considere la altura.
Debido a esto, en muchos casos los resultados y conclusiones
obtenidos con simuladores de lluvia hay que mantenerlos con una actitud
crítica cuando no se hace referencia ni se trabaja con unos parámetros o
características de lluvia determinados y se comparan directamente con
valores de lluvia natural.
Otra cuestión a la hora de interpretar los resultados obtenidos con
simuladores de lluvia y compararlos con lluvias reales es el hecho de que la
mayoría de los estudios se centra en eventos de lluvia con una intensidad
elevada o extrema, que generalmente suponen un pequeña fracción del
tiempo total de una precipitación natural, y no se tiene en cuenta los efectos
producidos por lluvias mucho menos intensas, que son más abundantes y
que normalmente, salvo situaciones locales o fenómenos tormentosos,
preceden a las lluvias más intensas y pueden alterar las propiedades de la
superficie del suelo, infiltración,…etc. (DUNKERLEY, 2008).
Por todos estos motivos, toda consideración sobre la conveniencia de
utilizar simuladores de lluvia comienza definiendo exactamente qué
información se necesita. Los simuladores pueden ser un instrumento muy
útil para ciertos fines, pero inadecuados para otros.

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1.61.61.61.6. Descripción del equipo simulador de lluvia. Descripción del equipo simulador de lluvia. Descripción del equipo simulador de lluvia. Descripción del equipo simulador de lluvia

1.6.1.1.6.1.1.6.1.1.6.1. Estructura del simulador de lluviaEstructura del simulador de lluviaEstructura del simulador de lluviaEstructura del simulador de lluvia
El simulador de lluvia portátil utilizado en este trabajo (fotos 7 y 8; y
figura 11), está basado en un modelo de BORSELLI et al. (2001), y tiene
una planta de 1.05 m x 1.05 m, y una altura de 4.5 m. En el extremo
superior y centrada se sitúa la boquilla difusora de agua, ya que a esa altura
la energía cinética, dependiendo de la intensidad, se encuentra dentro de
unos valores similares a los producidos por lluvia natural.
La estructura del simulador está constituida por varios tubos de acero
huecos, que conforman el cuerpo del mismo, y ésta recubierta con plásticos
enganchados mediante cinta adhesiva, formando un tubo de simulación (foto
8). De esta manera se evita la acción del viento sobre la lluvia simulada. En
el interior, también con los plásticos, se instalaron bolsas laterales para
recoger y canalizar las gotas de la lluvia simulada que golpean los laterales
hacia fuera de la estructura y evitar que reboten y caigan sobre las
microparcelas, consiguiendo así que solo lleguen a las mismas las gotas
directas de lluvia simulada.

Foto 7Foto 7Foto 7Foto 7.... Simulador de lluvia durante su instalación.

Además, como en el transcurso de las simulaciones la estructura del
simulador se encuentra con una estabilidad precaria (foto 7), para
asegurarla frente a las ráfagas de aire y viento se le añadieron unos
vientos para poder fijarla al suelo.
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Figura 11Figura 11Figura 11Figura 11.... Esquema del simulador de lluvia.
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Foto 8Foto 8Foto 8Foto 8.... Interior del simulador de lluvia.

1.6.2. 1.6.2. 1.6.2. 1.6.2. Equipo de bombeoEquipo de bombeoEquipo de bombeoEquipo de bombeo

El equipo de bombeo utilizado durante las simulaciones en campo
consta de dos depósitos de 500 litros de capacidad cada uno, una bomba, un
filtro, mangueras y un caudalímetro, (foto 9).

La bomba, de características similares a cualquier grupo de presión
para el hogar del mercado, es la encargada de elevar el agua desde los
depósitos hasta la boquilla, que como ya se ha señalado se encuentra
situada en el centro de su parte superior del simulador.

La función del filtro es evitar la circulación de elementos en
suspensión en el recorrido del agua desde el depósito hasta la boquilla, que
provoquen la obturación del sistema.

Con el caudalímetro se regula el caudal de agua de la simulación, que
varía en función de la intensidad de lluvia simulada requerida en cada
ensayo.

Con las mangueras se conecta todo el sistema y junto con una llave de
paso a la salida del caudalímetro se crea además una vía de retorno para el
agua hacia los depósitos con dos objetivos, por un lado facilitar el cierre a la
conclusión de cada ensayo evitando de esta manera tener que desconectar el
sistema (que implicaría una dificultad y una perdida de agua), y por otro
evitar que la parte del sistema que incluye a la bomba se quede sin agua en
circulación y se apague.
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El conjunto, en este caso la bomba, se encuentra conectado mediante
alargadores a una toma de corriente.

Foto 9.Foto 9.Foto 9.Foto 9. Conjunto del equipo de bombeo durante una simulación.

1.6.3. Boquillas1.6.3. Boquillas1.6.3. Boquillas1.6.3. Boquillas

Las boquillas son el elemento más importante de un simulador de
lluvia, ya que son las que generan los distintos tamaños de gota de la lluvia
simulada. Por este motivo se realiza la calibración del simulador y se define
las características de la lluvia generada por cada una de las tres boquillas
utilizadas.

Figura 12Figura 12Figura 12Figura 12. . . . Esquema boquilla aspersión cono lleno. LECHLER.

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Las boquillas pulverizadoras de cono lleno utilizadas son de la marca
LECHLER (figura 12), y generan un ángulo de aspersión de 120°. La
referencia de cada una de ellas es la siguiente:

- Boquilla 460.788, baja intensidad
- Boquilla 460.848, alta intensidad
- Boquilla 460.888, muy alta intensidad

Pertenecen a la misma familia de boquillas y poseen un ancho rango
de producción de flujo y una distribución líquida uniforme.

1.6.4.