Solución numérica de las ecuaciones de transferencia de agua y solutos en riego y drenaje

Se presenta una modelación de la transferencia de agua y transporte de solutos en sistemas de drenaje agrícola subterráneo. Las transferencias de agua se modelan con la ecuación de Richards para el proceso de infiltración y la ecuación de Boussinesq para el proceso de drenaje. El transporte de solutos acoplada a las ecuaciones anteriores se modela con la ecuación advección-dispersión. La solución de las ecuaciones se realiza de manera numérica utilizando el método de diferencias finitas. Los parámetros que intervienen en estas ecuaciones se estiman mediante la aplicación de una metodología basada en la curva granulométrica y problemas inversos. La capacidad descriptiva de las soluciones se verifica mediante un experimento realizado en laboratorio. El suelo que se utiliza es de textura limosa con características salinas. A partir del análisis granulométrico se estiman los parámetros de forma de la curva de retención (m, n), ligados mediante modelos fractales de conductividad, y con los datos de la lámina infiltrada se realiza la modelación inversa con la ecuación de Richards a fin de encontrar los parámetros de escala s K y yd que reproduzcan los datos experimentales. Con los parámetros de escala encontrados con la ecuación de Richards, se reproduce la lámina drenada con la ecuación de Boussinesq, imponiendo una condición de radiación en los drenes, optimizando el parámetro de conductancia adimensional (k). La lámina drenada teórica no es la misma a la experimental, por lo que se procede a optimizar tres parámetros: es decir, la conductancia adimensional y los parámetros de escala de las características hidrodinámicas. Los valores que se obtienen en el proceso de drenaje son diferentes a los estimados en el proceso de infiltración, lo cual evidencia que existe un fenómeno de histéresis en el suelo. La evolución de la concentración de sales se reproduce con la ecuación advección-dispersión acoplada a la ecuación de Boussinesq, encontrando el parámetro de dispersividad (l) que reprodujera los datos experimentales. Se presentan simulaciones del abatimiento del nivel freático para diferentes separaciones entre drenes, con la finalidad de mostrar escenarios posibles para eliminar los excesos de agua y mantener a las plantas en óptimas condiciones. Además, se muestra la disminución de la concentración de sales en el perfil del suelo como función del número de lavados del mismo. Finalmente, los resultados que se obtienen permiten recomendar la metodología de caracterización hidrodinámica empleada y las soluciones mostradas, para estudiar la transferencia de agua y transporte de solutos en el diseño de sistemas de drenaje agrícola parcelario.

A modeling of the water transfer and solutes transport in agricultural drainage systems is presented. The water transfer is modeled with Richards equation for the infiltration process and Boussinesq equation for the drainage process. The solutes transport coupled to the previous equations is modeled with the advection-dispersion equation. The solution of the equations is developed in a numerical way using the finite differences method. The parameters that intervene in these equations are estimated by means of the application of a methodology based on the granulometric curve and inverse problems. The descriptive capacity of the solutions is verified by an experiment conducted in the laboratory. A silty texture with salty features soil was used. From granulometric analysis, parameters of the retention curve (m, n) were estimated, which are linked to fractal conductivity models. With the information of water infiltration data the inverse modeling is developed by means of the Richards equation in order to find the scale parameters s K and yd that reproduce the experimental information. With the parameters of scale found by the Richards equation, the drained depth is reproduced with the Boussinesq equation, by imposing a radiation condition in drain and optimizing the dimensionless conductance parameter (k). The theoretical drained depth is not the same to the experimental one, so three parameters are proceeded to optimize: the dimensionless conductance and the scale parameters of the hydrodynamic characteristics. The values that are obtained in the drainage process are different from those estimated in the infiltration process, which suggests that a phenomenon of hysteresis exists in the soil. The salt concentration evolution is reproduced with the advection-dispersion equation coupled to the Boussinesq equation, in order to find the dispersivity parameter (l) that reproduces the experimental data. There appear simulations of the water table drawdown for different separations between drains, to show possible scenarios to eliminate the water excess and to support plants in ideal conditions. Decrease in salt concentration in the soil profile as a function of the number of soil washes is shown. Finally, the general results allow the recommendation of both the methodology of hydrodynamic characterization used and the proposed solutions, in order to study the water transference and transport of solutes in the design of subsurface agricultural drainage system.