Infiltración del agua en el suelo: procesos, modelos y medición

La infiltración es el paso del agua desde la superficie del terreno hacia el interior del suelo, impulsado por la gravedad y por la succión capilar de los poros no saturados. Su magnitud decide qué parte de una lluvia escurre por la superficie y qué parte queda en el suelo, desde donde se evapotranspira o percola hacia los acuíferos.

Definición e importancia hidrológica

De la precipitación que llega al terreno, una fracción queda retenida en la vegetación y en depresiones, otra entra al perfil y el resto forma escorrentía superficial. La infiltración es así un término central del balance hídrico: eleva la humedad del suelo y, si supera la capacidad de retención, alimenta la percolación. Solo la fracción que llega a la zona saturada es recarga. En ingeniería define la lluvia neta de los modelos de crecidas y el diseño de zanjas, pavimentos permeables y obras de recarga gestionada de acuíferos.

Capacidad de infiltración y tasa real

La capacidad de infiltración $f_p$ es la tasa máxima a la que el suelo puede absorber agua en un instante, si hay agua disponible en la superficie, y se expresa en mm/h. La tasa real $f$ no puede superar ni la capacidad ni el aporte:

donde $i$ es la intensidad de lluvia (mm/h). Mientras $i$ sea menor que $f_p$, toda la lluvia entra al suelo. Cuando la supera, el agua se encharca y el exceso escurre. La capacidad disminuye durante la tormenta, porque la succión y el espacio disponible se reducen a medida que el perfil se moja, y tiende a un valor cercano a la conductividad hidráulica saturada. La lámina acumulada $F$ (mm) cumple $f = dF/dt$.

Factores que controlan la infiltración

• Textura y estructura. Los macroporos (grietas, galerías y canales de raíces) conducen agua mucho más rápido que la matriz. Controla la permeabilidad, no la porosidad: según Rawls y otros (1983), la arcilla tiene porosidad media de 0,475 y la arena de 0,437, pero la conductividad de la arena es unas 393 veces mayor.
• Humedad antecedente. Un suelo seco tiene más espacio libre y mayor succión, e infiltra más al inicio.
• Cobertura vegetal. La vegetación y la hojarasca amortiguan las gotas y conservan la agregación; con pasto denso la capacidad inicial casi se duplica respecto del suelo desnudo.
• Sellado superficial. El impacto de las gotas rompe agregados y los finos tapan los poros. Con simulador de lluvia a 60 mm/h, Armenise y otros (2018) midieron sellos de 0,6 a 5,4 mm y una caída media de 60 % de la conductividad no saturada entre los 2 y los 9 minutos.
• Pendiente. En laderas empinadas el agua escurre antes y se infiltra menos que en terreno plano (USGS, 2019).
• Uso del suelo. Maquinaria, ganado y obras compactan el suelo; los parámetros de suelos naturales sobrestiman la infiltración de suelos urbanos, y las superficies impermeables la anulan.

Ecuación de Horton

Horton (1933, 1940) describió con una ley empírica el decaimiento de la capacidad observado en ensayos con agua en la superficie:

donde $f_0$ es la capacidad inicial (mm/h), con subíndice cero por corresponder a $t = 0$; $f_c$ la capacidad final o asintótica (mm/h), también escrita $f_\infty$; $k$ la constante de decaimiento (h⁻¹) y $t$ el tiempo (h). La lámina acumulada es:

Sus parámetros se ajustan a ensayos y no son transferibles: $k$ varía con la humedad inicial. Sin mediciones, el manual de SWMM (Rossman y Huber, 2016) propone:

$f_c$ es el parámetro más sensible, y en arenas los rangos de Musgrave pueden quedar muy bajo la conductividad real. Con $k$ = 4 h⁻¹, la capacidad recorre el 98 % del camino hacia $f_c$ en la primera hora.

Modelo de Green-Ampt

Green y Ampt (1911) aplicaron la ley de Darcy a un suelo homogéneo y profundo, con humedad inicial uniforme y una lámina delgada de agua en la superficie. El agua avanza como un pistón: sobre un frente de humectación nítido el suelo está saturado y bajo él conserva su humedad inicial, con una succión constante en el frente. La capacidad resulta:

donde $K$ es la conductividad hidráulica efectiva (cm/h), $\psi$ la succión en el frente (cm), $\Delta\theta$ el déficit de humedad (adimensional) y $F$ la lámina acumulada (cm). Con encharcamiento desde el inicio, su forma integrada es:

El déficit se obtiene de la porosidad efectiva $\theta_e = \phi - \theta_r$ (porosidad total menos humedad residual) y de la saturación efectiva inicial $S_e$:

Así la humedad antecedente entra explícitamente, sin recalibrar $K$ ni $\psi$. El modelo está disponible en SWMM, HEC-HMS y HEC-RAS.

Parámetros por textura

Rawls, Brakensiek y Miller (1983) analizaron unos 5.000 horizontes de suelos de Estados Unidos. La tabla reproduce las medias de su tabla 2 por clase textural; la succión incluye entre paréntesis el intervalo de ± una desviación estándar.

Los autores basan la $K$ de Green-Ampt en el hallazgo de Bouwer de que equivale a la mitad de la conductividad saturada, mientras SWMM y HEC-RAS tabulan los mismos números como saturados. Los intervalos de succión muestran que la tabla es solo una primera estimación.

Tiempo de encharcamiento con lluvia constante

Mein y Larson (1973) adaptaron el modelo a una intensidad constante $i$. Antes del encharcamiento se infiltra toda la lluvia; este comienza cuando la capacidad baja hasta $i$, con la lámina $F_p$ y en el tiempo $t_p$:

Si $i \le K$ no hay encharcamiento. Después de $t_p$, $F$ se obtiene por iteración de:

Ecuación de Philip e índice φ

Philip (1957) derivó de la teoría del flujo no saturado una ecuación de dos términos:

donde $S$ es la sorptividad (mm/h^1/2), que expresa la absorción por capilaridad, y $A$ (mm/h) un término gravitacional relacionado con la conductividad saturada, sin ser igual a ella. Es válida en los primeros tiempos de infiltración.

El índice φ es una tasa constante tal que la lluvia que la excede tiene el mismo volumen que la escorrentía directa observada (TxDOT, s. f.). Para intervalos $\Delta t$ con lluvia $p_j$ mayor que la pérdida:

donde $Q_d$ es la lámina de escorrentía directa (mm). Al ser uniforme, subestima la pérdida inicial y la sobrestima al final.

Relación con el número de curva

El método del número de curva (CN) estima el volumen de escorrentía de una tormenta; su abstracción inicial incluye la infiltración del comienzo, pero el NRCS aclara que no es una ecuación de infiltración. Sus grupos de suelo A a D ordenan la misma capacidad de infiltración que los rangos de Musgrave. Para distribuir la pérdida dentro de la tormenta y construir el hidrograma se usa Horton o Green-Ampt.

Medición en terreno

Infiltrómetro de doble anillo (ASTM D3385)

La norma ASTM D3385-18 usa dos cilindros concéntricos hincados en el suelo con carga de agua constante. Solo se mide el agua agregada al anillo interior; el exterior favorece que el flujo bajo él sea vertical.

• Cilindros de unos 500 mm de alto y diámetros de unos 300 y 600 mm, o mayores con relación cercana a 2.
• Anillo exterior hincado 150 mm; el interior, a menos de 5 mm de esa profundidad.
• Carga igual en ambos compartimentos, entre 25 y 150 mm; mayor en suelos menos permeables.
• Lecturas cada 15 minutos la primera hora, cada 30 la segunda y cada 60 después, durante al menos 6 horas o hasta una tasa relativamente constante.
• Poco confiable con conductividades mayores de 10⁻² cm/s o menores de 10⁻⁵ cm/s (de 360 a 0,36 mm/h); para las menores remite a la ASTM D5093.

La tasa de cada intervalo es:

donde $V_{IR}$ es la velocidad incremental del anillo interior (cm/h), $\Delta V_{IR}$ el volumen agregado (cm³), $A_{IR}$ el área interna (cm²) y $\Delta t$ el intervalo (h). La norma advierte que esta tasa no equivale directamente a la conductividad hidráulica y que debe tratarse como valor índice.

Infiltrómetro de minidisco

Es un infiltrómetro de tensión con un disco de 4,5 cm de diámetro y succión regulable de 0,5 a 7 cm; se recomiendan 2 cm en la mayoría de los suelos. Al excluir los macroporos mide la conductividad no saturada a esa succión $h_0$. Con el método de Zhang (1997):

donde $I$ es la infiltración acumulada (cm), $C_1$ (cm/s) el coeficiente lineal, $C_2$ un término ligado a la sorptividad y $A$ un coeficiente tabulado por textura, succión y radio del disco. En el ejemplo del fabricante, un franco limoso con $C_1$ = 0,0028 cm/s y $A$ = 7,93 da 3,53 × 10⁻⁴ cm/s, unos 12,7 mm/h.

Simuladores de lluvia

Aplican gotas de intensidad y energía controladas sobre una parcela y obtienen la infiltración como lluvia menos escorrentía. A diferencia de los anillos inundados, reproducen el sellado por impacto de gotas, aunque son más costosos y exigen calibración.

Ejemplo resuelto

Suelo franco agrícola con poca vegetación, con lluvia que supera la capacidad durante toda la hora (por ejemplo, 80 mm/h) para Horton y lluvia constante para Green-Ampt.

Parte 1: curva de Horton

1. Parámetros. $f_0$ = 76,2 mm/h (franco seco, SWMM); $f_c$ = 3,4 mm/h, la $K$ de Rawls para franco, criterio aceptado por SWMM; $k$ = 4 h⁻¹. La última columna usa el suelo a capacidad de campo, con $f_0$ = 25,4 mm/h.

2. Lámina en 1 hora. $F(1) = 3{,}4 + \dfrac{76{,}2 - 3{,}4}{4}\left(1 - e^{-4}\right)$ = 21,3 mm. Si el suelo parte a capacidad de campo, se infiltran solo 8,8 mm: la humedad inicial pesa tanto como la textura.

Parte 2: encharcamiento con Green-Ampt

1. Parámetros. $\psi$ = 8,89 cm, $\theta_e$ = 0,434, $K$ = 0,34 cm/h y $S_e$ = 0,3, de modo que $\Delta\theta = 0{,}7 \times 0{,}434$ = 0,304 y $\psi\,\Delta\theta$ = 2,701 cm.

2. Lluvia de 20 mm/h. $F_p = 0{,}34 \times 2{,}701 / (2{,}0 - 0{,}34)$ = 0,553 cm = 5,5 mm y $t_p = 0{,}553 / 2{,}0$ h = 16,6 min. Con $S_e$ = 0,7 ($\Delta\theta$ = 0,130), el encharcamiento llega a los 7,1 min.

3. Sensibilidad a la intensidad.

4. Balance de la hora. Resolviendo la ecuación posterior a $t_p$ por bisección, con 20 mm/h y $S_e$ = 0,3 se infiltran 14,7 mm y quedan 5,3 mm de exceso; la tasa final es 9,7 mm/h, aún lejos de $K$. Con $S_e$ = 0,7 se infiltran 10,9 mm y el exceso sube a 9,1 mm.

Errores frecuentes

• Confundir $f_0$ con $f_c$. $f_0$ (subíndice cero) es la capacidad inicial y $f_c$ la final; usar símbolos parecidos invierte la curva.
• Suponer que más porosidad implica más permeabilidad. Las arcillas son muy porosas y poco permeables.
• Usar la tasa del doble anillo como conductividad saturada. La ASTM D3385 advierte que no se relacionan directamente, y el anillo inundado no reproduce el sellado.
• Tratar la capacidad como tasa real. Si la lluvia es menor que la capacidad, se infiltra la lluvia.
• Ignorar la humedad antecedente. En el ejemplo, la lámina de Horton cae a menos de la mitad con el suelo a capacidad de campo.
• Extrapolar un ensayo puntual a la cuenca. La variabilidad espacial es la regla; se requieren varios puntos.

Preguntas frecuentes

Fuentes

• Rawls, W. J., Brakensiek, D. L. y Miller, N. (1983). Green-Ampt infiltration parameters from soils data. Journal of Hydraulic Engineering, 109(1), 62–70. ASCE. hec.usace.army.mil
• Rossman, L. A. y Huber, W. C. (2016). Storm Water Management Model Reference Manual, Volume I: Hydrology (Revised), EPA/600/R-15/162A. U.S. Environmental Protection Agency. cfpub.epa.gov
• US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center. HEC-RAS 1D Technical Reference Manual: Green-Ampt. hec.usace.army.mil
• ASTM International (2018). ASTM D3385-18: Standard Test Method for Infiltration Rate of Soils in Field Using Double-Ring Infiltrometer. store.astm.org
• METER Group (2026). Mini Disk Infiltrometer: manual del usuario. publications.metergroup.com
• Armenise, E., Simmons, R. W., Ahn, S., Garbout, A., Doerr, S. H., Mooney, S. J., Sturrock, C. J. y Ritz, K. (2018). Soil seal development under simulated rainfall: structural, physical and hydrological dynamics. Journal of Hydrology, 556, 211–219. pmc.ncbi.nlm.nih.gov
• U.S. Geological Survey (2019). Infiltration and the Water Cycle. USGS Water Science School. usgs.gov
• Texas Department of Transportation (s. f.). Hydraulic Design Manual: Infiltration Index. txdot.gov