Simulación del flujo del agua en el suelo en riego por goteo superficial, soluciones analíticas aproximadas, caracterización del suelo y diseño de los riegos

Se presenta en esta tesis un conjunto de herramientas que han sido desarrolladas con el objetivo de analizar el flujo de agua en el suelo, estudiar patrones de infiltración bajo emisores de riego por goteo, y caracterizar hidrofisicamente el suelo, de utilidad potencial para el diseño y desarrollo de los sistemas de riego localizado. Los modelos propuestos que están basados en las ecuaciones fundamentales de la filtración, han sido validados frente a soluciones analíticas conocidas y otros modelos numéricos existentes; adicionalmente, se han realizado algunos contrastes experimentales. En primer lugar, se presenta un modelo numérico basado en la integración de la ecuación fundamental de la filtración (ecuación de Richards), capaz de simular el flujo de agua y la evolución del contenido de humedad en el suelo, bajo condiciones de contorno fijas o variables. En este sentido, el modelo permite estudiar la evolución de la zona saturada en superficie, así como su redistribución una vez finalizado el riego. Así mismo, el modelo puede estudiar la evolución de la presión en cualquier punto del sistema, y en particular en el entorno de la fuente emisora, lo que es de interés potencial en el estudio de riego sub-superficial. En segundo lugar, se ha derivado un conjunto de expresiones analíticas bajo condiciones de simplificación asumibles del tipo Green-Ampt, para el análisis del flujo de agua en el suelo, en régimen transitorio, y desde fuentes de geometría semiesférica y circular en superficie. Estas expresiones han sido validadas con el modelo de simulación. Se considera en base a los estudios realizados que, con el reducido conjunto de parámetros fundamentales de los que depende el modelo analítico es posible realizar una caracterización simplificada del suelo. El modelo ha mostrado su idoneidad para el ajuste y estimación de sus parámetros, en base a datos experimentales obtenidos, sobre suelo real, con un infiltrómetro de base circular, conocidos los contenidos de humedad inicial y de saturación del suelo, que pueden ser medidos en laboratorio por procedimientos experimentales establecidos. Al final de este manuscrito se presenta un estudio específico del radio máximo (radio límite, o asintótico) de la zona saturada en superficie bajo riego por goteo a caudal constante, una vez alcanzado el régimen estacionario. Se propone un modelo empírico inferido a través de simulación, y extendido a los tres catálogos de referencia que se mencionan en esta tesis. Se ha comprobado además que, este modelo se puede considerar como un caso particular del modelo analítico derivado para una fuente circular en superficie, si se desprecia el término propio a la succión en el frente (de escasa, o nula, relevancia en las condiciones de riego en régimen permanente propias del radio límite del charco), lo que confiere de cierta racionalidad a este conjunto de expresiones empíricas. ----------ABSTRACT---------- Investigations about flow dynamics in porous medium with application to surface drip irrigation characterization and trickle irrigation systems design are presented in this thesis. The models developed are based on the fundamental equations of hydrology and hydro-physical characteristics of the soil. They were validated against other existing models and experiments. First, it is presented a numerical model based on direct integration of Richard’s equation, which is able to analyze the flow under variable boundary conditions. It is shown its capability to study phenomena of interest in trickle irrigation such as, superficial puddle evolution, redistribution and overpressure around the emitter, among others. Secondly, it is presented an analytical model that was derived from Darcy’s Law under simplifying conditions of the Green-Ampt type, regarding to circular and semi-spherical superficial sources. It depends on a small set of physical parameters. Thus, it is proposed as a tool for soil characterization. Additionally, a study of puddle evolution and its asymptotic limit radius under surface drip irrigation is shown. A set of empirical equations for the limit puddle radius is given that are potentially useful for drip irrigation systems design.