[pt] Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta numérica para avaliação do fluxo saturado-não saturado em encostas de grandes dimensões, com aplicação na análise de estabilidade dessas áreas. Emprega-se o método dos elementos finitos na solução da equação de Richards, considerando a carga de pressão como variável primária e utilizando formulação adequada para minimização dos problemas de conservação de massa, freqüentemente, associados a esse fato. O modelo constitutivo utilizado para a curva característica e função de condutividade hidráulica é o proposto por Van Genuchten (1980). Para solução da não-linearidade, emprega-se um método quasi- Newton (BFGS). Com o objetivo de minimizar os requisitos de memória computacional, utiliza-se esquema de armazenamento de matriz esparsa, associado ao método de gradiente biconjugado, na solução do sistema de equações. Paralelamente, é apresentado algoritmo de geração de malha tridimensional de elementos finitos, a partir de uma malha superficial de triângulos, representativa da topografia. Análises numéricas são executadas com a finalidade de validação do código gerado, comparando-se os resultados obtidos com aqueles gerados por outros programas já consagrados na literatura técnica. É proposta metodologia para geração de mapas de susceptibilidade a escorregamentos translacionais rasos, empregando-se o método do talude infinito, associado à estrutura da malha de elementos finitos e aos resultados do problema de fluxo, incorporando- se, assim, o efeito do estado de não saturação na resistência do material. / [en] The aim of this work is to develop a numerical tool for the analysis of saturated-unsaturated flow in large scale natural slopes, applied to the study of the stability of these areas. The finite element method is applied to solve the Richard`s equation, taking into account the pressure head as the primary variable and using an adequate formulation to minimize the mass conservation issues. The constitutive model used to the characteristic curve and hydraulic constitutive function is the one presented by van Genuchten (1980). A quasi-Newton method (BFGS) is applied for the solution of the non-linearity. A sparse matrix storage scheme, with the objective of reducing the computational memory requirements, is associated to the bi- conjugated gradient method for the solution of the system of equations. An algorithm of finite elements mesh is presented, which generates the 3D mesh from a triangle superficial mesh representing the relief. Numerical analyses are performed in order to validate the code, by comparing the results with those generated by others widely known codes presented in the technical literature. A methodology for the generation of susceptibility maps to shallow translational landslides is delineated, which employs the infinite slope method to the finite elements mesh structure and the flow problem results, considering the effect of the unsaturated state in the material strength.

[pt] O estudo de fluxo saturado - não saturado em solos exige o conhecimento das funções de relação, como a curva característica (q x h) e a curva de condutividade hidráulica (K x h). Para determinar estas relações o presente trabalho utiliza o modelo de van Genuchten- Mualem, o qual está implementado numa ferramenta numérica que permite a utilização da retroanálise como método para determinação dos parâmetros do modelo. O principal objetivo deste trabalho é a avaliação de um método que permita a estimativa dos parâmetros do modelo de van Genuchten-Mualem, a partir de dados coletados em campo ou laboratório para, então, realizar-se a análise de fluxo saturado - não saturado e a estimativa dos parametros de van Genuchtem-Mualem. Finalmente, a as condições de fluxo saturado - não saturado em duas encostas foram simuladas, em duas e três dimensões, a fim de verificar a variação de fluxo nestes casos. / [en] The study of saturated and non saturated flow in soils requires the knowledge of relation functions, as water retention curve (q vs. h) and hydraulic conductivity curve (K vs. h).In order to determine these relations, this research uses van Genuchten-Mualem`s model, which is implemented on a numerical based method. This tool allows the inverse solution as a method to determine the parameters of the model. The main objective of this research is the evaluation of a method which allows the estimative of the required parameters by the chosen model, determined based on field or laboratory data, so then, based on these parameters, saturated and non- saturated flow analysis were carried out and the estimative of parameters of van Genuchten-Mualem`s model. Finally, saturated and non-saturated simulations were made on two slopes. These simulations were followed by 2D and 3D models, in order to verify the flow variation on these cases.

[pt] A avaliação do potencial de contaminação de capatações de água, por causa das águas residuais provenientes dos sistemas de tanque séptico, é feita a partir da definição da distância de separação mínima que deve existir entre a captação e o local de infiltração do efluente. A determinação dessa distância define a zona de proteção da captação. Existem três metodologias para definir o tamanho dessa zona de proteção: metodologias baseadas em distâncias fixas e tempos de trânsito, metodologias baseadas na vulnerabilidade e metodologias baseadas no risco de infecção. No caso da Costa Rica, as avaliações são feitas através do uso da metodologia baseada no tempo de trânsito. O tempo de trânsito empregado corresponde ao tempo de sobrevivência dos vírus. Nesta análise determina-se a distância máxima percorrida pelos vírus durante esse tempo, e essa distância define a separação mínima. Esse método considera que o transporte ocorre por percolação vertical saturada através da zona não saturada, e por transporte ao longo da interface água-ar na zona saturada segundo o gradiente natural. Neste trabalho apresenta-se um novo procedimento, baseado no risco de infecção, para a determinação da distância de separação considerando os efeitos da saturação variável e o fraturamento. Este procedimento determina a distância máxima percorrida, a partir do cálculo das concentrações de vírus. A distância de separação mínima corresponde à distância entre a fonte de injeção e o ponto aonde a concentração atinge o valor máximo de concentração permitida. Para o desenvolvimento deste novo procedimento foi implementado um código de programação que inclui: fluxo saturado-não saturado e transporte explícito nos poros e nas fraturas, advecção, dispersão, decaimento, sorção na superfície dos sólidos, sorção nas interfaces água-ar e água-sólido, filtração mecânica e exclusão de poros. Foi realizada uma análise comparativa entre as metodologias acima descritas para três geometrias tipo representativas das condições estratigráficas de algumas áreas do Vale Central da Costa Rica. Os resultados obtidos indicaram que a metodologia normalmente empregada na Costa Rica pode ser inadequada para prever na maioria dos casos a possibilidade de contaminação. / [en] Setback distances of wellhead and catchments from septic tanks are establised by three aproaches: methods based on fixed setback distances or fixed travel times; methods based on vulnerability analysis and methods based on infection risk. In Costa Rica, the determination of setback distances is based on fixed travel times. This approach considers that during and specified travel time all microorganisms will be inactivated, and that the distance traveled during this time defines the minimum safe separation. In this approach a unitary hydraulic gradient and saturated hydraulic conductivity are considered for transport in the unsaturated zone and the natural hydraulic gradient and saturated conductivity for transport in the saturated zone. Only advection is considered as the responsible mechanism for virus transport. A new procedure is presented in this document to define the setback distance. This procedure is based on the infection risk approach. According to this approach the minimum required setback distance is defined as the distance between the injection point and the location where the contaminant reaches a maximum allowable concentration. This procedure was implemented in a computer code that considers variable saturated water flow, fractured-porous media, advection, dispersion, dynamic sorption, inactivation and mechanical filtration. A comparative analysis was performed for three hypothetical geometries using the two approaches described. The results indicate the approach normally used in Costa Rica may no reproduce adequately the possibility of catchments and wellhead contamination.

[pt] Os deslizamentos ocorridos em grandes escalas ao redor do mundo decorrentes, principalmente, de eventos chuvosos extremos criaram um sinal de alerta para a necessidade de compreensão dos mecanismos de deflagração desses movimentos de massa. No entanto, a influência de variáveis fundamentais, como a espessura de solo e as condições iniciais de umidade, no estudo de estabilidade de bacias hidrográficas ainda não foi totalmente esclarecido. Nesta dissertação, simulações numéricas de fluxo e análise de estabilidade de encostas são realizadas nas bacias hidrográficas dos rios Quitite e Papagaio. Primeiramente, dois modelos analíticos de espessura de solo são utilizados em simulações envolvendo o fluxo tridimensional saturado-não saturado com o uso do método dos elementos finitos. A condição inicial de umidade também é analisada utilizando-se dados de precipitação por um período de spin-up. Posteriormente, o fator de segurança (FS) da região, via talude infinito, é analisado após a imposição de um evento chuvoso extremo. Dessa forma, é possível verificar que os intervalos de espessuras de solo de 0 a 3 m são os que mais se assemelham às cicatrizes mapeadas, sugerindo uma abordagem mais realística de espessura média para a bacia. Além disso, é verificado que, em eventos extremos, o uso do spin-up time para condição inicial de umidade variável pode não ter muita influência no fator de segurança, pois a intensidade e duração da chuva serão os agentes deflagradores. / [en] The large-scale landslides that have occurred around the world, mainly due to extreme rainfall events, serve as a warning signal for the need to understand the triggering mechanisms of these mass movements. However, the influence of fundamental variables, such as soil thickness and initial moisture conditions, in the study of watershed stability has not been fully clarified. In this dissertation, numerical flow simulations and slope stability analysis are carried out for the hydrographic basins of the Quitite and Papagaio rivers. In this study, two analytical soil thickness models are applied to saturated-unsaturated three-dimensional finite element flow simulations. The initial moisture condition is analyzed using precipitation data for a spin-up period. Subsequently, the safety factor (SF) is analysed, using the infinite slope method, after the imposition of an extreme rainfall event. From these results, it is possible to verify that the ranges of soil thicknesses from 0 to 3 m are the ones that most resemble the mapped scars, suggesting a more realistic approach for considering the average basin thickness. In addition, it is verified that, in extreme events, the use of spin-up time for initial variable humidity conditions may not have much influence on the safety factor, since the intensity and duration of the rain will be the triggering agents.