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Fragmented Corrections to the van Genuchten–Mualem Model Diverge by 24–68% from a Consistent Coupled Parameterization: A Quantitative Demonstration for Thermal, Osmotic, and Hysteretic Conditions

Este artículo demuestra que la aplicación fragmentada e inconsistente de correcciones separadas para la temperatura, la salinidad y la histéresis al modelo de van Genuchten–Mualem introduce errores cuantitativos significativos (24–68 %) en la predicción del flujo de agua en el suelo, y propone una parametrización unificada de forma cerrada que resuelve estas inconsistencias mediante el acoplamiento riguroso de estos factores sin introducir nuevos parámetros.

Autores originales: Hoa Thanh Thi Nguyen, Giang Song Le

Publicado 2026-08-25

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CC BY 4.0

Autores originales: Hoa Thanh Thi Nguyen, Giang Song Le

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El agua no se mueve a través del suelo de la misma manera en que fluye por una tubería lisa. En el terreno, el agua se aferra a granos diminutos, navegando por un laberinto de poros que se encogen y se expanden a medida que el suelo se seca o se humedece. Para predecir cómo se mueve esta agua —ya sea lluvia empapando un campo, sal extendiéndose desde el riego o humedad desplazándose a través de una barrera de arcilla—, los científicos confían en un conjunto estándar de reglas conocido como el modelo de van Genuchten–Mualem. Este modelo actúa como la calculadora predeterminada para el movimiento del agua en suelos variablemente saturados, describiendo con qué fuerza el agua se aferra a las partículas de tierra y con qué facilidad puede deslizarse a través de ellas. Durante décadas, esta calculadora ha funcionado bien bajo condiciones simples y estables. Pero el mundo real rara vez es simple. Las temperaturas del suelo fluctúan, el agua de riego suele contener sales disueltas y la trayectoria que toma el agua al empapar el suelo rara vez es la misma que la trayectoria que toma al drenar.

Cuando surgen estas condiciones complejas, los investigadores tradicionalmente han intentado arreglar el modelo estándar aplicando correcciones separadas e aisladas. Ajustaban los números para el calor, luego aplicaban un ajuste diferente para la sal y, finalmente, añadían un tercer toque para la diferencia entre el humedecimiento y el secado. El problema es que estos parches a menudo se cosían sin comprobar si encajaban con la misma lógica subyacente. En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Recursos Naturales y Medio Ambiente de la Ciudad de Ho Chi Minh y de la Universidad de Tecnología de la Ciudad de Ho Chi Minh han demostrado que este enfoque fragmentado provoca errores significativos. Al unificar estas correcciones en un marco único y consistente y ejecutar simulaciones computacionales detalladas, demostraron que la antigua forma fragmentada de calcular el movimiento del agua puede errar por decenas de puntos porcentuales, alterando drásticamente las predicciones de qué tan profundo penetrará el agua y cuánto saturará el suelo.

Los investigadores se centraron en tres factores ambientales específicos que cambian cómo se comporta el agua en el suelo: la temperatura, la salinidad y el historial de si el suelo se está humedeciendo o secando. Primero, analizaron el calor. A medida que el suelo se calienta, el agua se vuelve menos viscosa, lo que significa que fluye más fácilmente, de forma muy similar a como la miel se vuelve más fluida en un día caluroso. El modelo estándar a menudo ignora este cambio, tratando el agua como si tuviera el mismo espesor independientemente de la temperatura. Segundo, examinaron la sal. Cuando el agua contiene sales disueltas, desarrolla una presión osmótica que puede atraer el agua hacia sí o retenerla, dependiendo de si el suelo actúa como un filtro que bloquea la sal. Muchos modelos existentes asumen que el suelo siempre bloquea la sal por completo, una condición que rara vez ocurre en suelos arenosos o limosos comunes. Tercero, consideraron la histéresis, un fenómeno en el que el suelo retiene el agua de manera diferente dependiendo de su pasado. Un suelo que se está secando retiene el agua con más fuerza que el mismo suelo que se está humedeciendo actualmente, sin embargo, muchos cálculos ignoran esta distinción y utilizan una sola curva para ambos estados.

Para probar cuánto importan estos ajustes separados, el equipo construyó un modelo computacional unificado que gestiona la temperatura, la sal y el historial de humedecimiento de forma simultánea, asegurando que las reglas para cada factor fueran consistentes entre sí. Luego ejecutaron una simulación de un escenario realista: una columna de suelo franco seco siendo regada con agua salada bajo un gradiente de calor estival, donde la superficie es caliente y las capas más profundas son más frescas. Compararon los resultados de su modelo unificado contra los resultados del enfoque tradicional y fragmentado, donde cada corrección se aplicaba de forma aislada o con suposiciones incorrectas. Las diferencias fueron marcadas y físicamente distintas. Cuando la simulación ignoró el hecho de que el agua caliente fluye más rápido, subestimó la cantidad total de agua que se infiltra en el suelo en un 27 por ciento. Cuando ignoró la diferencia entre las trayectorias de humedecimiento y secado, predijo que el frente de humedecimiento viajaría un 68 por ciento más profundo de lo que realmente lo hizo, sugiriendo que el agua llegaría mucho más profundo bajo tierra de lo que realmente llegaría.

Quizás el error más dramático provino de cómo los modelos manejaban la sal. En el mundo real, la mayoría de los suelos comunes como la arena y el limo no actúan como filtros perfectos para la sal; permiten que la sal se mueva libremente con el agua. Sin embargo, el enfoque fragmentado tradicional a menudo asume que el suelo actúa como una membrana perfecta, bloqueando toda la sal y creando una succión masiva y artificial que retiene el agua. Los investigadores encontraron que incluso una pequeña suposición incorrecta de que el suelo bloquea solo una mínima fracción de la sal podría suprimir la infiltración de agua predicha entre un 24 y un 51 por ciento. Si el modelo asumía que el suelo era una membrana perfecta, esencialmente detenía el movimiento del agua, inyectando una presión ficticia equivalente a una columna de agua de decenas o incluso cientos de metros de altura. Este error no es solo un pequeño error de cálculo; cambia fundamentalmente la imagen física de lo que está sucediendo bajo tierra.

El estudio también validó el nuevo enfoque unificado con datos del mundo real para asegurar que las correcciones estuvieran fundamentadas en la realidad. Para el efecto de la temperatura, utilizaron datos medidos de forma independiente para mostrar que simplemente ajustar la tensión superficial no es suficiente; se necesita una relación más compleja para coincidir con el comportamiento observado. Para el efecto de la sal, revisaron mediciones de varios suelos y confirmaron que el efecto de "membrana" es cercano a cero en arenas y limos, volviéndose significativo solo en arcillas altamente compactadas. Para la diferencia entre humedecimiento y secado, probaron su modelo unificado contra mediciones de laboratorio de curvas de humedad del suelo, encontrando que un factor de ajuste simple podía predecir el comportamiento de humedecimiento de suelos de medio a fino con una precisión razonable, aunque el valor exacto varía según el tipo de suelo.

El hallazgo central es que la consistencia importa. Debido a que la temperatura, la salinidad y la histéresis afectan el movimiento del agua a través de diferentes mecanismos físicos, aplicar estos factores de forma desarticulada no permite que los errores se cancelen entre sí. En cambio, los errores se acumulan, provocando predicciones que fallan por márgenes considerables. Los investigadores han proporcionado un marco matemático de forma cerrada y única que incorpora los tres factores sin necesidad de nuevos parámetros desconocidos. Esta nueva formulación regresa al modelo estándar cuando las condiciones son normales, asegurando que encaje con los datos existentes, pero se mantiene robusta cuando las condiciones cambian. El resultado es una herramienta más fiable para ingenieros y científicos que necesitan predecir cómo se mueve el agua a través del suelo, ya sea gestionando el riego en campos afectados por la salinidad, diseñando barreras para contener contaminantes o comprendiendo cómo se mueve la humedad a través de la corteza terrestre. Al unificar estas correcciones, el estudio asegura que los números utilizados para describir el suelo no sean solo una colección de parches, sino una imagen coherente de la realidad.

Resumen Técnico: Correcciones Fragmentadas al Modelo de van Genuchten–Mualem

Planteamiento del Problema
El modelo de van Genuchten–Mualem (VGM) es la parametrización estándar para el flujo en condiciones de saturación variable en códigos como HYDRUS. Si bien existen correcciones para la temperatura, sales disueltas (ósmosis) e histéresis de humedecimiento–secado, estas se aplican típicamente de manera "fragmentada". Este enfoque fragmentado suele basarse en supuestos inconsistentes, notablemente la adición directa de la succión osmótica a la succión mátrica sin verificar si el suelo actúa como una membrana semipermeable. El artículo aborda la falta de evidencia cuantitativa sobre cuánto se desvían estas prácticas fragmentadas de un tratamiento unificado y físicamente consistente, particularmente en escenarios que involucran gradientes térmicos, infiltración salina y frentes histeréticos.

Metodología
Los autores desarrollaron una parametrización unificada de forma cerrada que consolida tres correcciones ambientales en un único parámetro de escala ( $\alpha^*$ ) para la curva de retención de van Genuchten, mientras escala la conductividad hidráulica saturada ( $K_s$ ) mediante la viscosidad y la densidad del fluido.

Formulación Unificada:
- Temperatura y Salinidad: El parámetro de escala $\alpha^*$ se ajusta en función de la tensión superficial aire–agua ( $\sigma$ ) y una ley de temperatura característica ( $\beta_0$ ) para dar cuenta de los efectos de adsorción y el ángulo de contacto.
- Potencial Osmótico: El potencial que impulsa el flujo se define como $\psi_{flow} = h - \sigma_r h_\pi$ , donde $\sigma_r$ es el coeficiente de reflexión. El modelo distingue explícitamente entre suelos que actúan como membranas ( $\sigma_r > 0$ ) y aquellos que no lo hacen ( $\sigma_r \approx 0$ ).
- Histéresis: Un factor de rama ( $f$ ) escala $\alpha$ de manera diferente para las ramas de humedecimiento y secado, manteniendo un índice de distribución de tamaño de poros ( $n$ ) compartido.
- Invarianza de la Conductividad: Los autores demuestran algebraicamente que la conductividad relativa de Mualem ( $K_r$ ) es independiente de $\alpha^*$ , lo que significa que el modelo unificado no requiere nuevos parámetros de conductividad más allá del estado de referencia.
Simulación y Validación:
- Se utilizó un resolvedor de la ecuación de Richards unidimensional acoplada (esquema Picard modificado de conservación de masa) para simular la irrigación salina de una columna de limo seca bajo un gradiente térmico (40 °C en la superficie a 20 °C en la profundidad) durante tres días.
- Análisis Comparativo: El modelo unificado se comparó contra variantes "fragmentadas" donde se ignoraron o especificaron erróneamente ciertas correcciones (por ejemplo, asumiendo $\sigma_r = 1$ para suelos que no son membranas, ignorando el acoplamiento viscosidad-temperatura o ignorando la histéresis).
- Validación: El modelo fue validado contra temperaturas características ( $\beta_0$ ) publicadas independientemente y contra predicciones fuera de la muestra de las ramas de humedecimiento utilizando datos de la base de datos UNSODA.

Resultados Clave
La simulación acoplada reveló que las prácticas fragmentadas introducen errores cuantitativos significativos, que a menudo superan el 20–60%:

Acoplamiento Viscosidad-Temperatura: Ignorar la dependencia de la viscosidad del agua con la temperatura (y, por ende, de $K_s$ ) subestimó la infiltración acumulada en un 27%. El suelo cercano a la superficie, más cálido, conduce el agua aproximadamente dos veces más rápido que a las temperaturas de referencia.
Histéresis: Ignorar la histéresis (usar la rama de secado para un frente de humedecimiento) sobreestimó la profundidad del frente de humedecimiento en un 68% y la infiltración acumulada en un 17%.
Coeficiente de Reflexión ( $\sigma_r$ ):
- Asignar un $\sigma_r$ espurio de 0.05–0.10 a un suelo que no es una membrana suprimió la infiltración en un 24–51%.
- La práctica común de asumir $\sigma_r = 1$ (membrana perfecta) suprimió la infiltración casi por completo e introdujo cabezales osmóticos no físicos de decenas a cientos de metros.
- Los datos de membrana medidos confirmaron que para arenas, limos y loams estructurados, $\sigma_r \approx 0$ . Incluso para la bentonita compactada, $\sigma_r$ rara vez supera el 0.6.
Sensibilidad a la Textura: Aunque la dirección de los errores fue consistente entre las texturas, la magnitud varió. Los errores de histéresis fueron más severos en suelos gruesos (hasta un +156% de error en la profundidad del frente en arena), mientras que los errores de temperatura se mantuvieron relativamente invariantes respecto a la textura (~27%).

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar la primera demostración cuantitativa de que la consistencia de la parametrización no es meramente una virtud teórica, sino una salvaguarda cuantitativa. Los autores sostienen que:

La Consistencia Previene Grandes Errores: La formulación unificada evita errores lo suficientemente grandes como para cambiar la infiltración y las posiciones de los frentes en decenas de puntos porcentuales, lo cual es crítico para el modelado de zonas vadosas salinas y no isotérmicas.
Sin Nuevos Parámetros: El modelo acoplado es un superconjunto estricto del modelo VGM de referencia, colapsando exactamente a este en el estado de referencia y no introduciendo nuevos parámetros de conductividad.
Corrección de Errores Recurrentes: El estudio corrige dos conceptos erróneos específicos y generalizados:
- Que la salinidad impulsa el flujo en todos los suelos (solo impulsa el flujo en suelos con $\sigma_r \neq 0$ ).
- Que la escala de la tensión superficial por sí sola explica la dependencia de la temperatura (la temperatura característica $\beta_0$ captura efectos adicionales como el ángulo de contacto, reduciendo el error de los modelos de solo tensión superficial en un factor de ~2.9).

Los autores concluyen que, si bien los porcentajes de error específicos dependen de la textura del suelo y las condiciones de contorno, la conclusión cualitativa —que la práctica fragmentada conduce a errores sustanciales y no compensatorios— se mantiene a través del rango examinado. El trabajo ofrece un marco parsimonioso para el modelado de flujo térmico-osmótico-histerético que es directamente aplicable a suelos afectados por la salinidad, el transporte de solutos y las barreras de arcilla de ingeniería.

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