NOTAS
Control de la erosión eólica con un estabilizador artificial en un torripsammente ustico
FERNANDO AVECILLA1*; NANCY BELÉN RAMIREZ HABERKON2; SILVIA BEATRIZ AIMAR2 & DANIEL EDUARDO BUSCHIAZZO1-2-3
1 INCITAP (CONICET-UNLPam), Santa Rosa, La Pampa.
2 UNLPam, Santa Rosa, La Pampa.
3 INTA, Estación Experimental Agropecuaria Anguil, Anguil, La Pampa.
* Autor de contacto: ferave85@hotmail.com
Recibido: 07-11-15
Recibido con revisiones: 04-03-16
Aceptado: 25-04-16
RESUMEN
La erosión eólica es uno de los principales procesos de degradación de suelos de ambientes áridos y semiáridos. Una alternativa de control de este proceso es la estabilización del suelo por medio de fijadores artificiales. En el presente estudio se analizó el grado de control de la erosión que produjo un estabilizador a base de acetato de polivinilo (cola vinílica), diluido en agua a distintas concentraciones. El estudio se realizó en un túnel de viento en un Torripsament Ustico. Se utilizaron tres concentraciones (0,5, 2 y 10% relación estabilizador-agua) con y sin inyección de la fracción de saltación, dos momentos de muestreo (5 y 10 minutos) y dos velocidades de viento (10,5 y 12 m s-1). Los resultados indicaron que la erosión fue significativamente menor en todos los tratamientos con agregado del estabilizador que en el suelo sin estabilizador. La erosión con concentraciones del estabilizador de 2 y 10% fueron menores (p<0,05) que a 0,5%, en los tratamientos con y sin saltación. El estabilizador aplicado al 2 y 10% mantuvo bajos niveles de erosión en ambos momentos de muestreo, lo que indica que la costra formada sobre la superficie del suelo es resistente al efecto abrasivo de las partículas de saltación. Se pudo deducir que una aplicación del estabilizador a una concentración del 2% permite controlar eficientemente la erosión en el suelo analizado, manteniendo las pérdidas de suelo en niveles bajos, durante al menos 10 minutos, aún con altas velocidades del viento. Debido a que el estabilizador es de bajo costo, posee bajo impacto ambiental y se encuentra disponible en el mercado, su uso para controlar la erosión eólica en pequeñas superficies, con fines ingenieriles en obras de construcción, estabilización de banquinas y superficies de caminos, es potencialmente factible.
Palabras clave: Erosión eólica; Métodos de control; Estabilizador sintético.
Wind erosion control with an artificial stabilizer in an ustic torripsamment
ABSTRACT
Wind erosion is one of the main soil degradation processes of arid and semi-arid environments. Artificial stabilizers can be used for it control. We analyzed the efficiency of a polyvinyl acetate as a stabilizer for controlling wind erosion in an Ustic Torripsament. We performed a wind tunnel experiment under three stabilizer concentrations (0,5, 2 and10% stabilizer: water ratio) with and without injection of the saltation fraction, two wind speeds (10,5 and 12 m s-1) and two sampling times (5 and 10 minutes). Results indicated that the erosion was lower with all the stabilizer concentrations in relation to the reference without stabilizer. The erosion with concentrations of the stabilizer of 2 and 10% were lower (p <0,05) that to 0,5%, in the treatments with and without saltation. The stabilizer concentration of 2 and 10% maintained low erosion levels in both moments of sampling, which indicates that the crust formed on the soil surface is resistant to the abrasive effect of the particles of saltation. It was deduced that an application of the stabilizer to a concentration of 2% allows to efficiently control the erosion in the soil tested, keeping the soil losses at low levels, for at least 10 minutes, even with high wind velocities. Because the stabilizer has low-cost, low environmental impact and is available on the market, its use to control wind erosion on small surfaces, with engineering purposes in construction, stabilization verges and road surfaces, it is potentially feasible.
Key words: Wind erosion; Control methods; Synthetic stabilizer.
INTRODUCCIÓN
La erosión eólica es uno de los procesos de degradación del suelo más importante en muchas regiones del
mundo. En la Argentina, cerca del 75% de la superficie está ocupada por regiones áridas y semiáridas, donde este proceso es altamente probable (Buschiazzo et al., 2007).
Se han desarrollado diferentes métodos para mitigar la
erosión eólica de los suelos, basados principalmente en la
reducción de la velocidad del viento, la protección y el
mantenimiento de la rugosidad y de la cobertura superficial.
Las cortinas rompevientos, la rugosidad orientada, los cultivos en franja, el mantenimiento de rastrojos, la siembra
de cultivos protectores para fijación de médanos y los
estabilizadores artificiales de suelo son algunas de las alternativas más comunes (Skidmore & Hagen, 1977; Bravo et
al., 1995).
En los casos en los cuales es necesario un control inmediato de la erosión, el uso de una cobertura artificial puede
ser una alternativa eficaz y económica. En la Argentina, se
han realizado algunas experiencias con compuestos orgánicos naturales como tanino (Di Rado et al., 2001), con
bentonita y emulsiones asfálticas aunque se desconocen
experiencias de control de la erosión con productos sintéticos, por lo tanto no se cuenta con estudios recientes con
productos de bajo costo y bajo impacto ambiental. Los
estabilizadores químicos del suelo deberían ofrecer una
buena adherencia y una rápida infiltración, lo cual permitiría
el establecimiento y desarrollo de cobertura vegetal que actúe
de forma permanente en el control de la erosión. Además,
deben ser no tóxicos, no contaminantes, adaptable a las
condiciones climáticas y ambientales en el área tratada,
altamente eficaz, duradero y de bajo costo (Han et al., 2007).
Desde hace varios años distintos estabilizadores han
sido utilizados para controlar la erosión eólica en distintas
partes del mundo. Desde la década de 1930 hasta la actualidad se han probado estabilizadores con distintos propósitos (Babaev, 2001). Sin embargo, en la mayoría de los
casos se utilizaron estabilizadores a base de derivados del
petróleo, emulsiones de asfalto y aceites (Cheng et al.,
1991; Hu & Zhou, 1991; Zhu et al., 2000; Babaev, 2001),
los cuales representan un riesgo desde el punto de vista
ambiental, además de ser productos menos accesibles en
el mercado y de un alto costo económico. Recientemente,
Han et al. (2007) utilizaron cuatro estabilizadores de polímeros líquidos (una emulsión de alcohol de polivinilo, una
emulsión de acetato de polivinilo, una mezcla de agua y
cloruro de calcio, y una mezcla de agua y urea) para evitar
la voladura de los suelos alrededor de una carretera en el desierto de Taklamakan, China, determinando su comportamiento tanto en túnel de viento como a campo. Con el
mismo objetivo, Wang et al. (2009) probaron con un
estabilizador a base de pasta de lignina obtenida de los
residuos líquidos descartados en la industria del papel,
logrando la estabilización de dunas de arena y la implantación de vegetación. Tomando en cuenta estos antecedentes, el presente estudio representa un avance en el
conocimiento respecto al uso de estabilizadores artificiales para el control de la erosión eólica.
El objetivo del trabajo fue evaluar, para un suelo de
textura arenosa franca susceptible a ser erosionado, el
efecto de la aplicación de un estabilizador artificial sintético a base de acetato de polivinilo y determinar la dosis
adecuada del mismo a fin de controlar las tasas de pérdida
de suelo por erosión eólica, teniendo en cuenta distintas
velocidades de viento.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se seleccionó un suelo de textura arenosa franca (Soil Survey división Staff, 1993) con presencia de clastos >2 mm, situado en la localidad de Hilario Ascasubi, perteneciente al partido de Villarino en el sur de la provincia de Buenos Aires (39°23’S; 62°27’O) (Tabla 1) y clasificado como Torripsament Ustico (Sánchez et al., 1998). En los últimos años, vinculado a períodos extensos de pronunciadas sequías, los suelos de esta región han sufrido frecuentes procesos de erosión eólica los que han causado un alto impacto ambiental ocasionando disminución de espesor de los horizontes A por pérdida de materiales, afectando la cobertura de alambrados, perjudicando la salud humana por el desarrollo de alergias y disminuyendo la visibilidad en zonas urbanas y rurales, lo que ha sido causal de acci- dentes de tránsito (Pezzola et al., 2011, 2012).
Tabla 1. Principales características del suelo estudiado.
Table 1. Main characteristics of the studied soil.
FE: fracción erosionable; EES: estabilidad estructural de los agregados en seco; MO: materia orgánica.
Se tomó una muestra compuesta superficial de los primeros 2,5 cm sin disturbar sobre un área homogénea de aproximadamente 1 ha, constituida por cuatro submuestras de aproximadamente 30 kg.
Se determinó la composición granulométrica por el método de la Pipeta de Robinson (Gee & Bauder, 1986), la materia
orgánica por el método de Walkley y Black (Walkley y Black,
1934), y carbonatos por medio del Calcímetro de Scheibler
(Schichting et al., 1995).
Se determinó la estabilidad estructural de los agregados
en seco (EES) y la fracción erosionable (FE) en una submuestra
secada al aire y tamizada con un tamiz rotativo (Chepil, 1962).
Debido a que el suelo presentó clastos >2 mm (6,7%) es que
la determinación de EES dio valores relativamente altos (82%)
y erróneos para su interpretación.
Por otra parte, para otra submuestra del suelo original se
separó manualmente la fracción de saltación (van Pelt et al.,
2010) mediante tamizado en seco usando tamices de aberturas de 200 y 500 µm (Avecilla et al., 2015).
Para el desarrollo de este estudio se utilizó un túnel de viento
de 8 m de longitud. El mismo consta de dos secciones: una de
acondicionamiento del perfil del viento (2 m) y una sección de
trabajo (6 m). Funciona con un motor a explosión marca Honda
GX 670 de 24HP. Para mayor detalle sobre la construcción y
resultados de calibración del túnel de viento puede ser consultado el trabajo de Mendez et al. (2006).
Las muestras de suelo se colocaron en bandejas desmontables de chapa (0,195 m2 de superficie: 97,5 cm de largo x 20
cm de ancho x 2,5 cm de profundidad) ubicadas a lo largo de
toda la sección de trabajo del túnel.
En algunos tratamientos, la fracción de saltación del suelo
(200-500 µm) se agregó por gravedad desde una tolva ubicada
en la parte media de la sección de simulación del túnel, con un
caudal de 0,0055 kg m-1 s-1 (van Pelt et al., 2010).
El material movilizado por saltación se recolectó con colectores de tipo BSNE (Fryrear, 1986) ubicados a cinco alturas
(0,05; 0,17; 0,385; 0,585 y 0,79 m) en la parte final de la sección
de trabajo. El material recolectado luego de cada simulación
se pesó a la cuarta cifra decimal. El transporte de masa horizontal (Q), se determinó mediante la ecuación (1) integrando la curva exponencial de ajuste de la cantidad de material
en función de la altura:
donde, Q es el transporte de masa horizontal (en kg m-2) a la altura
z, variable que refiere al total del material recolectado por los
cinco colectores BSNE luego de cada simulación, Q es el flujo de
masa en la superficie (z =0) y b representa la tasa de decaimiento
respecto a la altura. Los detalles metodológicos se describen en
Panebianco et al. (2010).
La velocidad del viento se midió con un anemómetro de
presión a cuatro alturas (0,05; 0,17; 0,385 y 0,585 m), obteniéndose de este modo un perfil vertical de la velocidad del viento
y el cálculo de la velocidad de fricción (Roney & White, 2006).
La velocidad de fricción se determinó con la ecuación (2):
donde, µ * es la velocidad de fricción del viento en m s-1; K es
la constante de Von Karman (0,4); uz1 y uz2 son las velocidades
del viento a las alturas Z1 y Z2, a 0,05 y 0,585 m respectivamente. Adicionalmente, la velocidad del viento de referencia,
velocidad libre, se midió por medio de un anemómetro de cazoletas ubicado en la sección posterior del túnel, a una altura
de 0,85 m sobre la superficie del túnel.
El estabilizador utilizado fue el acetato de polivinilo, conocido comercialmente como ‘‘cola o adhesivo vinílico’’ de base
acuosa. Es un polímero, obtenido mediante la polimerización
del acetato de vinilo (CH3-COO-CH=CH2), un éster. Se empleó la cola vinílica marca FORTEX tipo A-20, que se presenta comercialmente como una emulsión de color blanca, comúnmente
aplicada como adhesivo para materiales porosos, en especial
la madera. Es un compuesto considerado como ‘‘no tóxico’’ (Suzarte et al., 2004).
Se utilizaron tres concentraciones de estabilizador por dilución en agua: 0,5% (E1), 2% (E2) y 10% (E3) (relación adhesivo-agua). Desde 1 m de altura y por medio de un aspersor se aplicó el estabilizador sobre las muestras de suelo a razón de 0,476 L
min-1, la aplicación efectiva fue de 0,237 L m-2. Al finalizar la
aplicación las muestras de suelo se dejaron secar al aire durante
12 horas. El estabilizador al ser aplicado sobre el suelo formó una costra superficial permeable, incorporándose a los primeros micrones y actuando como un cementante o aglutinador
de las partículas del suelo. Una mayor concentración permitió formar una costra con mayor espesor. Además, se probó la permeabilidad del mismo mediante la aplicación de agua, con
el mismo caudal de aplicación que se utilizó durante la operación con el estabilizador. Se comprobó la infiltración del agua
a través de la costra.
Se asumió y comprobó que la incorporación de agua sin
estabilizador sobre la superficie del suelo no cambió el comportamiento del suelo, lo cual implica que el efecto sobre las
pérdidas de suelo fue atribuido sólo al estabilizador.
Las simulaciones en el túnel se realizaron a dos velocidades
de viento, las que alcanzaron 10,5 m seg-1 (velocidad media=
V1) y 12 m seg-1 (velocidad alta= V2) y correspondieron respectivamente a velocidades de fricción (u*) de 0,39 m seg-1 (DE:
0,05); y de de 0,43 m seg-1 (DE: 0,03). Además, para todas las
concentraciones del estabilizador y a la velocidad de viento V2
se realizó un tratamiento con inyección de la fracción de saltación.
Los 12 tratamientos desarrollados fueron los siguientes:
TV1: testigo (suelo desnudo, sin aplicación de estabilizador) a
V1; TV2: testigo y V2; E1V1: aplicación de estabilizador al 0,5%
y V1; E1 V2: aplicación de estabilizador al 0,5% y V2; E1 V2S:
aplicación de estabilizador al 0,5% y V2 con inyección de fracción
de saltación; E2V1: aplicación de estabilizador al 2% y V1; E2V2:
aplicación de estabilizador al 2% y V2; E2V2S: aplicación de
estabilizador al 2% y V2 con inyección de fracción de saltación;
E3V1: aplicación de estabilizador al 10% y V1; E3V2: aplicación
de estabilizador al 10% y V2; E3V2S: aplicación de estabilizador
al 10% y V2 con inyección de fracción de saltación; V2S: a V2,
sólo inyección de la fracción de saltación (colocación de papel
de lija en las bandejas). Este último tratamiento permitió evaluar solamente el efecto del material de saltación en los tratamientos ExV2S. Cada tratamiento fue repetido tres veces. Cada
simulación duró 10 minutos. A los 5 minutos se detuvo la simulación, se pesó el material recolectado por los BSNE y luego,
con los colectores limpios, se continuó con los 5 minutos restantes, repitiendo la operación de pesada. Así se obtuvo el transporte de masa horizontal (Q) a distintos intervalos de tiempo,
permitiendo evaluar la resistencia del estabilizador.
Los valores de Q fueron comparados entre tratamientos
mediante un test de comparación de medias ANOVA, utili-
zando el método de comparación LSD Fisher con un α = 0,05. Para realizar este análisis se utilizó el software INFOSTAT (Di
Rienzo et al., 2002).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La Tabla 2 muestra que los valores de Q de los tratamientos testigo (T) fueron los más elevados (5,6 kg m-2 para
V1 y 7,1 kg m-2 para V2) e iguales entre sí (p<0,05).
A V1, Q alcanzó valores de 0,036 kg m-2 en E1, 0,018 kg
m-2 en E2, y 0,006 kg m-2 en E3, valores que fueron diferentes
entre sí. Esto indica que Q fue mayor a menores concentraciones del estabilizador. A V2, Q fue 0,223 kg m-2 en E1,
0,046 kg m-2 en E2 y 0,008 kg m-2 en E3, siendo similar en
E2 y E3 pero diferente de E1. A ambas velocidades, Q fue significativamente menor en todos los tratamientos con
estabilizador que en T. Estos resultados indican que, en los
tratamientos con estabilizador, Q fue 155 a 930 veces menor que en el testigo a una baja velocidad de viento y 32
a 882 veces menor a la velocidad más alta.
Tabla 2. Flujo de masa horizontal (Q) para los distintos tratamientos.
Table 2. Horizontal mass flux (Q) for the different treatments.
Los asteriscos (*) indican diferencias significativas dentro del mismo tratamiento (p<0,05) para Qtotal.
DE: desvío estándar.
En los tratamientos donde se agregó la fracción de
saltación (ExV2S), Q varió de 2,196 kg m-2 en E1 a 0,005
kg m-2 en E3 (0,533 kg m-2 en E2), siendo diferente entre
E1 y los otros dos tratamientos (E2 -E3). El efecto de la saltación, en general, aumentó Q con respecto a los tratamientos sin saltación.
En los tratamientos con saltación y V2, Q se redujo de
3 a 130 en E3 y E1 con respecto al testigo (TV2). Esto indica
que el estabilizador agregado a bajas concentraciones (E1)
fue menos eficiente que a concentraciones medias y altas
para controlar la erosión.
Los valores de Q fueron, en E3, similares a ambas velocidades (0,006 y 0,008 kg m-2 a V1 y V2, respectivamente), mientras que en E2 V2, fueron 155% mayores que en
E2 V1, y en E1V2 520% mayores que en E1V1. Esto indica que
existiría un umbral de concentración del estabilizador por
debajo del cual se produce erosión.
Q presentó valores similares en E3V2 y en E3V2S, lo que
indica que el estabilizador aplicado a altas concentraciones
fue eficiente para controlar la erosión, aun sufriendo el
impacto de partículas transportadas por saltación. Los valores de Q de E2V2 fueron menores que los de E2V2S, por lo
cual, a concentraciones intermedias, el proceso de saltación
produjo el rompimiento de la costra formada por el estabilizador lo que incrementó la erosión. Por otro lado, en E1V2S,
el valor de Q fue mayor (90%) que en E1V2, lo que indica
que el efecto abrasivo de las partículas provocó la degradación total de la costra formada por el estabilizador.
La simulación de distintos tiempos de simulación permitió evaluar la estabilidad de la costra protectora del suelo
formada por el estabilizador. En los tratamientos testigo,
durante los primeros 5 minutos y a ambas velocidades, se
movilizó entre un 80 y un 85% del material erosionado.
Algo similar ocurrió en los tratamientos con concentraciones bajas del estabilizador (E1), aun a velocidades bajas del
viento (V1). Esto indica que, a bajas concentraciones del
estabilizador, se produjo un rápido rompimiento de la costra,
provocando una elevada erosión. Similares tendencias se
encontraron en E2V1 pero con menores valores de erosión,
indicando que la costra tuvo mayor resistencia al efecto
del viento. A las concentraciones más altas (E3V1) los valores
de Q fueron similares en ambos momentos de muestreo
lo que indica una alta estabilidad de la costra a altas concentraciones del estabilizador.
A la velocidad alta de viento (V2) y concentraciones bajas
e intermedias del estabilizador (E1-E2), Q fue mayor luego
de 10 minutos que de 5 minutos de simulación. Esto indica
que la costra protegió al suelo un tiempo limitado en estas
condiciones debido a que el viento produjo su destrucción
luego de 10 minutos. A concentraciones elevadas del estabilizador (E3) Q se mantuvo bajo y no cambió significativamente con el tiempo, lo que indica que la costra se
mantuvo estable y protegió el suelo en forma eficiente.
Con el agregado de material de saltación, a bajas concentraciones del estabilizador, (E1V2S), Q fue mayor que
en el tratamiento sin saltación (E1V2), con valores similares de Q a distintos intervalos de tiempo. Esto indica que bajas
concentraciones del estabilizador no fueron eficientes para
prevenir el efecto abrasivo de las partículas saltadoras sobre
la costra formada por el estabilizador. A la velocidad alta, el
proceso de saltación destruyó la costra formada por el estabilizador a concentraciones intermedias (E2V2S), pero en
menor magnitud que a bajas concentraciones (E1V2S). Solamente a altas concentraciones (E3V2S) la costra se mantuvo estable.
Los resultados obtenidos permiten deducir que con una
concentración del 2% la erosión eólica puede mantenerse
en niveles bajos, durante al menos 10 minutos, aún con
altas velocidades del viento. A esta concentración es posible obtener 50 L de estabilizador con 1 kg de cola vinílica,
volumen que permite cubrir un área de 210 m2. El uso de
esta sustancia resulta efectivo, es de bajo costo y no posee
riesgos ambientales por lo que puede ser utilizado para
controlar erosión eólica en pequeñas superficies. Además,
podría aplicarse con fines ingenieriles en el control del levantamiento de polvo en las obras, en banquinas y superficies de caminos, control de taludes, etc.
En futuros estudios deberá evaluarse la estabilidad en
el tiempo del estabilizador. Es necesario realizar pruebas a
mayor escala (en parcelas a campo), a fin de probar y determinar su degradación por radiación solar o por efectos
de lluvias, la resistencia de la costra a ser fracturada por
emergencia de plántulas y la vida media del producto en el suelo. Han et al. (2007) probaron varios parámetros
relacionados a la resistencia de la costra formada por el
acetato de polivinilo y encontraron una respuesta satisfactoria de dicho producto, inclusive por encima de otros
estabilizadores utilizados, describiendo a la costra formada como muy dura, flexible y capaz de soportar un peso
importante. Además, midieron la resistencia del acetato de
polivinilo al envejecimiento por medio de radiación ultravioleta (longitud de onda de 340 nm, intensidad de 50
mW cm-2) durante 300 hs, encontrando que el acetato tuvo
la mejor resistencia, con una pérdida de resistencia de 0%,
comparado con el 11 y 40% de los otros estabilizadores.
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