Given the importance of climate conditions in the agricultural environment, more specifically in the transport of water in the soil, there is a need to understand the effects of climate change on the water dynamics in the soil. This influence of climate conditions in the agricultural environment seems to be important in evapotranspiration, water availability for plants and roots, and for other processes. Many theoretical models have been developed to characterize the physical processes involved in water and transport. Climate prediction models such as the suite of models in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) make it possible generate climate data that can be used to characterize physical and biological processes. This research focuses on two main aspects: 1) the effects of climate change on the occurrence of extreme events that may affect agricultural processes in the region of Urbana-Champaign, in Illinois (USA) and 2) the effects of climate change on the dynamic of soil water in a corn crop (two fields, ANW and ASW) in the studied area. To explore the impacts of climate change on the occurrence of extreme events, the errors of some climate models from CMIP5 were evaluated and the models were subsequently used to develop indices to represent the occurrence of extreme events. These indices were calculated from observed data, and historical and future simulations, considering pessimistic and optimistic scenarios of climate change. The model that best represents the climate in the region was used to provide input data for Hydrus simulation of the soil water dynamics in two fields with different drainage system layout. These simulations with the Hydrus model were made for current conditions and for near term, midcentury, and end of century time periods (2011-2040, 2041-2070, 2071-2100, respectively). The results indicate that the variation of precipitation in the future may result in increased in one (RX1DAY) and five days (RX5DAY) maximum precipitation, and in the number of consecutive dry days (CDD) and consecutive wet days (CWD). Changes in temperature will be reflected as an increase of the indices of maximum and minimum values of temperatures and summer days (TNn, TNx, TXn, TXx and SU); and decreasing of the index of icing and frost days (ID, FD). This increasing of temperatures will represent a risk for agriculture, due to increased evapotranspiration, which will increase crop water demand and can create a hydric stress. Results of Hydrus simulations of surface flux, cumulative surface flux, runoff, cumulative runoff, soil water storage and cumulative infiltration, with input data from the IPSL model, are presented. These variables are critical in a corn crop, and are dependent on climate variables, soil conditions, parameters of the study region, drainage system, crop characteristics, inter alia. The ANW field had lower values of surface flux and cumulative surface flux comparing to the ASW field. This results is indicative that the risk associated with the ASW drainage system layout is higher than that of the ANW drainage system layout, related to the wider spacing between drains and the difficulty in removing water at the required rate. In general, the maximum and average values of surface flux and cumulative surface flux, will increase over time. In addition, it is noticeable that all Hydrus simulation indicates increasing maximum surface runoff and cumulative surface runoff over time. Percentile changes in average runoff and cumulative runoff are dependent on the period simulated. Increases range from 5.61 to 24.4% in the short term (2011-2040), 16.45 to 39.32% in the medium term (2041-2070) and 3.32 to 19.98% in the long term (2071-2100) compared to historical simulation. The maximum values of infiltration tend to be higher in all simulations when compared to the reference period in both fields. Changes in cumulative infiltration are indicative that infiltration will increase in the future. With respect to the correlation between runoff and extreme events, all simulations showed that the correlation between runoff and extreme precipitation events (RX1DAY ranges between 0.76 and 0.78, and RX5DAY ranges between 0.5 and 0.66), are higher than the correlation between runoff and precipitation (ranges between 0.31 and 0.43). This approach can improve the understanding of climate changes impacts on sustainable groundwater management based on adaptive management. Information gained in this work can be used to design monitoring systems to manage a sustainable groundwater in future climate regimes and create mitigation measures to prevent any risk for food security. An implication of the study is that the impact of climate change on water resources is a function of the projection scenario. The study was limited by the use of daily time step, necessitated by the large data sets. / Dada a importância das condições climáticas no ambiente agrícola, mais especificamente no transporte de água, é necessário compreender o efeito da mudança climática dinâmica da água no solo. Muitos modelos teóricos foram desenvolvidos para caracterizar os processos físicos envolvidos no transporte da água. Os modelos de previsão climática, como o conjunto de modelos do CMIP5, permitem gerar dados climáticos que podem ser usados para caracterizar processos físicos e biológicos. Esta pesquisa foca em dois aspectos principais: 1) efeito das mudanças climáticas na ocorrência de eventos extremos que podem afetar os processos agrícolas na região e 2) efeitos das mudanças climáticas na dinâmica da água no solo sob uma cultura de milho (dois campos experimentais, ANW e ASW) em uma região de Illinois (EUA). Os resultados encontrados indicam que a variação da precipitação no futuro pode causar o aumento de RX1DAY, RX5DAY, CDD e CWD. Considerando os eventos extremos de temperatura, percebemos que o aumento da temperatura média, máxima e mínima será refletido no aumento dos indices TNn, TNx, TXn, TXx e SU; e na diminuição dos indices ID e FD. Este aumento de temperaturas representará um risco para a agricultura considerando a evapotranspiração, que aumentará a necessidade de água das plantas e poderá criar um estresse hídrico. Os resultados apresentam as simulações do modelo IPSL aplicado no modelo Hydrus para simular, fluxo superficial, fluxo superficial acumulado, escoamento superficial, escoamento superficial acumulado, armazenamento de água do solo e infiltração acumulada. Essas variáveis são importantes na produção de milho e são função das variáveis climáticas, condições do solo e também alguns parâmetros da região de estudo, como o sistema de drenagem, as características da cultura e outros. O campo ANW apresentou valores mais baixos de fluxo superficial em comparação ao campo ASW. Isso indica que o risco associado ao sistema de drenagem ASW é maior que o ANW, que está relacionado ao maior espaçamento entre os drenos e a dificuldade em drenar a quantidade necessária de água. A tendência do fluxo superficial e do fluxo cumulativo de superfície, em geral, é de aumento em cenários de mudanças climáticas (em valores máximos e médios). Também é notável que toda a simulação indica o aumento do escoamento superficial em termos de valores máximos. O percentil de mudanças nos valores médios de escoamento mostra que a projeção climática tende a aumentar o escoamento superficial em diferentes cenários de simulação. Esta faixa crescente é de 5,61 a 24,4% em curto prazo (2011-2040), 16,45 a 39,32% em médio prazo (2041-2070) e 3,32 a 19,98% em longo prazo (2071-2100) em relação à simulação histórica (1976-2005). Os valores máximos de infiltração tendem a ser maiores em todas as simulações quando comparados ao período de referência (em ambos os campos). Além disso, mudanças na infiltração acumulada indicam que a infiltração média tende a aumentar no futuro. Considerando a correlação entre o escoamento superficial e os eventos de extremos climáticos, todas as simulações indicaram que a correlação entre o escoamento e os eventos extremos de precipitação RX1DAY (varia entre 0,76 e 0,78) e RX5DAY (varia entre 0,5 e 0,66), sendo estas maiores do que a correlação entre o escoamento superficial e a precipitação (intervalos entre 0,31 e 0,43). Conclui-se, portanto, que a ocorrência de eventos de extremos climáticos está mais associada as variáveis estudadas do que a condição climática em si, tendo impactos diretos na agricultura. O estudo mostra diferentes indicações do impacto das mudanças climáticas no recurso hídrico usando diferentes projeções. Uma dificuldade da pesquisa é sobre a grande quantidade de dados ea necessidade de tempo de passagem diário para a integração de variáveis. Esta abordagem pode melhorar a compreensão dos impactos das mudanças climáticas na gestão sustentável das águas subterrâneas com base no gerenciamento adaptativo. As informações obtidas neste trabalho podem ser usadas para projetar sistemas de monitoramento para gerenciar águas subterrâneas de maneira sustentável em regimes climáticos futuros e criar medidas de mitigação para garantir a segurança alimentar.

O processo de acelerada expansão urbana observado no Brasil a partir de meados do século XX, sem planejamento adequado, resultou em ocupação de áreas de risco de inundações urbanas por parte da população de baixa renda, gerando prejuízos sociais. Além disso, potencializou-se o risco de inundações por meio da impermeabilização do território, supressão da mata ciliar e retificação e canalização dos córregos. Com vistas à redução no risco de inundações em áreas urbanas, faz-se necessário, além da adoção de medidas mitigadoras nos locais assolados pelo problema, um disciplinamento adequado do uso e da ocupação do solo nas áreas ainda não urbanizadas da bacia, abordando a questão da drenagem. No entanto, o planejamento territorial urbano não é atribuição do sistema gestor de recursos hídricos, mas do município como um todo, de modo que há vários setores da gestão municipal que devem ser envolvidos nesse processo. Em meio a diferentes prioridades, a questão da drenagem urbana não tem sido satisfatoriamente abordada. Nesse contexto decisório a respeito do planejamento, é fundamental, portanto, que haja uma metodologia que possa conciliar os julgamentos divergentes e, por vezes, conflitantes acerca da alternativa mais adequada de uso e ocupação do solo. Os sistemas de suporte à decisão multicriteriais permitem contornar este problema, além de possibilitarem trabalhar com critérios incomensuráveis, de modo que se configuram como uma opção promissora para o planejamento territorial urbano. O objetivo deste trabalho foi justamente aplicar três métodos diferentes de análises multicriteriais ao planejamento de uso e ocupação do solo de uma bacia hidrográfica ainda em urbanização (rio Mineirinho, em São Carlos - SP) para escolher uma alternativa de uso e ocupação do solo dentre três possíveis. A primeira consistia em um futuro provável com base no histórico de urbanização da bacia e no Plano Diretor Municipal; a segunda, idem, com o acréscimo de um reservatório proposto no Plano Diretor de Drenagem Urbana de São Carlos; e a última propunha medidas de adequação da ocupação urbana ao sistema natural de drenagem. Dever-se-iam considerar os julgamentos de diferentes atores sociais e buscar a redução no risco de inundações urbanas. Um dos métodos utilizados, o Processo Analítico Hierárquico foi considerado menos adequado ao problema proposto que os outros dois (fuzzy-TOPSIS e fuzzy-ELECTRE). E apesar da dificuldade encontrada em realizar uma reunião com um conjunto de seis diferentes atores sociais para debater seus pontos de vista acerca de critérios de escolha e alternativas de uso e ocupação do solo na bacia, foi possível verificar as preferências do conjunto. Em geral, deseja-se alguma intervenção estrutural significativa para mitigar o problema das inundações, como o reservatório proposto no Plano Diretor de Drenagem Urbana de São Carlos. Embora os participantes da pesquisa tenham mostrado interesse pela proteção ambiental, não preferiram, em comparação às demais, a alternativa de uso e ocupação do solo que favorecia a adequação da ocupação urbana ao sistema natural de drenagem. / The process of accelerated urban expansion observed in Brazil from the second half of the 20th century on, without adequate planning, resulted in the occupation of areas with risk of flooding by the population of lower income, what caused social loss. Besides, waterproofing of the territory, suppression of the riparian forest, and straightening and channeling of rivers increased the risk of flooding. In order to reduce this risk in urban areas, in addition to adopting mitigating measures on the spots affected by the problem, it is necessary to discipline the use and occupation of the soil where it has not yet been urbanized, taking into consideration the drainage matter. However, urban territory planning is not only attributed to the managers of the water systems, but to the city as a whole. This way, there are various sectors of the municipal management that should be involved in this process. Among different priorities, the matter of urban drainage has not been satisfactorily discussed. Thus it is fundamental to find a method to conciliate divergent judgements about the most adequate alternative for the use and occupation of the soil. The multicriteria decision support systems are able to do this and to work with incommensurable criteria, and therefore they are a promising option to apply in the context of urban territory planning. The main objective of this work was precisely using three different methods of multicriteria analysis in the planning of the soil use and occupation of the Mineirinho watershed (São Carlos - SP), which is still in the midst of an urbanization process, in order to choose one of the three possible alternatives of soil use and occupation. The first one consisted on a probable future, based on the watershed urbanization history and the Municipal Directive Plan; the second one, idem, with the addition of a reservoir proposed in the Urban Drainage Directive Plan of São Carlos; and the last one presented measures to adequate the occupation of the basin to the natural drainage system. The judgement of different social actors and the reduction of the urban flooding risk should be taken into account. One of the used methods - the Analytic Hierarchy Process (AHP) - was considered less suitable to the proposed problem than the other two (fuzzy-TOPSIS and fuzzy-ELECTRE). And although there was some difficulties to hold a meeting with a group of six different social actors who would debate their points of view concerning the choice criteria and the alternatives of soil use and occupation, it was possible to verify the preferences of the group. In general, they want a significant structural intervention to mitigate the urban flood problem, like the reservoir proposed in the Urban Drainage Directive Plan of São Carlos. In spite of the fact that the social actors showed interest for the environmental protection, they did not prefer, when comparing to the other alternatives, the one that most favored the adequacy of the urban occupation to the natural drainage system.

A presente pesquisa analisa as intervenções realizadas no âmbito do Programa Social e Ambiental dos Igarapés de Manaus - PROSAMIM, ocorridas entre os anos de 2006 e 2014 na cidade de Manaus. O programa teve como áreas de intervenção os igarapés da região central da cidade, historicamente ocupados por moradias em palafitas, afetadas pelas cheias do Rio Negro, e se caracterizou pela implantação de grandes dispositivos de macrodrenagem que produziram reassentamentos e atendimentos habitacionais diversos. O estudo parte da recuperação histórica sobre a urbanização da cidade em associação ao tema da precariedade urbana nesta porção da Amazônica Ocidental, em grande medida afetada pela oscilação do Rio Negro. Mereceram destaque na análise do programa, as soluções de drenagem urbana e habitacionais implantadas pelo PROSAMIM ao longo de suas diferentes etapas, além de um debate sobre as repercussões sociais ambientais das intervenções, oficialmente utilizadas para a legitimação dos objetivos do programa. / The present study proposes an approach to the PROSAMIM - Social and Environmental Program of the Igarapés of Manaus - PROSAMIM, occurring between the years 2006 and 2014 in the city of Manaus. The program had for intervention areas the igarapés (watercourses) of the central region of the city, historically occupied by dwellings on stilts, affected by the floods of Rio Negro, characterized by the implantation of great devices of macrodrainage that produced equivalent amounts of residential resettlements. The study addresses a historical recovery on the urbanization of the city in association with the theme of urban precariousness in this part of the Western Amazon, to a great extent affected by the oscillation of the Rio Negro. The analysis of the program, the urban drainage and housing solutions implemented by PROSAMIM throughout its different stages, and a debate on the environmental social repercussions of the program, officially used to legitimize the program\'s objectives, were highlighted.

Novas medidas de controle das vazões excedentes surgiram nos últimos anos e buscam contornar as mudanças nos ciclos hidrológicos, imitando e mantendo as condições naturais existentes antes dos processos de urbanização. Uma dessas alternativas, conhecida genericamente pelo nome de reservatório de armazenamento, procura reter parte do escoamento superficial gerado durante as precipitações, para depois fazer sua devolução de forma lenta e gradual aos leitos dos córregos e rios, atenuando o pico dos hidrogramas e redistribuindo as vazões ao longo do tempo. Uma das variáveis desse reservatório de armazenamento, que permanece seco entre eventos chuvosos, é denominado de reservatório de detenção e constitui-se o objeto deste trabalho. Sua implantação e utilização são discutidas por meio das experiências da CDHU, através de estudos de casos reais, onde prova-se que a incorporação desse novo dispositivo de drenagem urbana é ainda um assunto polêmico, para o qual técnicos, governantes e população estão despreparados. É legítimo o anseio da sociedade por medidas sustentáveis e ambientalmente corretas, na qual os reservatórios de detenção se enquadram, porém sua implementação por força de medidas legais, muitas vezes, tem sido realizada de forma pouco conseqüente, sem planejamento e ponderação quanto às dificuldades e implicações dessa atitude. Denota-se também, a necessidade de avaliação da eficiência destes dispositivos e de normatização das formas de aplicação, dimensionamento, operação e manutenção. Além disso, é necessário a sensibilização, a conscientização e a educação em todos os níveis, pois existem paradigmas a serem quebrados e obstáculos a serem vencidos. Ao final do trabalho, sugere-se um pequeno roteiro com diretrizes gerais para incorporação dos reservatórios de detenção em novos empreendimentos, com o intuito de orientar e facilitar a utilização desses dispositivos, melhorando sua aceitação pela sociedade. / New stormwater control techniques have emerged during last years, trying to mimic and keep the natural conditions of hydrologic cycle. One of these measures, known as storage facility, detains part of the rainfall runoff to release it at controlled rates downstream, attenuating the hydrograph peak and redistributing the volume over a certain period of time. The focus of this report is the detention basin, a storage facility designed to empty out between runoff occurrences. Its insertion and use are discussed through CDHU experiences, based on real cases, where the results show that this new urban drainage control system is still a polemic issue, for what technicians, governments and population are unprepared. Society’s concerns about sustainable and environmentally correct measures, inside which detention pond is placed, are rightful, however its implementation in the course of legal procedures has been made carelessly, unplanned and without considerations of difficulties and impacts. In addition, evaluation of its performance along with regulation of using forms, dimensioning, operation and maintenance are also required. Moreover, sensitiveness, consciousness and education related to detention basin should be improved, since there are paradigms to be broken and obstacles to win. At the end of this report, it is suggested some guidelines to incorporate detention basins in new land development, not only to facilitate and instruct the use of this structure, but also to improve society’s acceptance.

A construção de barragens de terra sobre formações geológicas permeáveis constitui um dos mais sérios desafios da engenharia de barragens. Neste tipo de projeto, as principais variáveis que devem ser analisadas são a vazão, o gradiente de saída e a subpressão, todas decorrentes da percolação de água pela fundação. Este trabalho apresenta um estudo acerca da eficácia dos dispositivos de controle da percolação a partir de análises paramétricas realizadas em uma barragem típica utilizando o método dos elementos finitos através do programa SEEP/W. Nestas análises foram variadas as características dos dispositivos e a anisotropia hidráulica do maciço de fundação. Verificou-se que a trincheira de vedação parcial é extremamente ineficaz, que o tapete impermeável à montante apresenta cerca de 60% de eficácia para relações entre o comprimento do tapete e a largura da base da barragem da ordem de 1,70 e que a trincheira de vedação total associada aos dispositivos de drenagem constitui a solução mais eficaz no controle das variáveis vazão, gradiente de saída e subpressão. / The construction of earth dams on pervious geologic formations constitutes one of the most serious problems of the engineering of dams. In this type of project, the main variables that must be analyzed are the discharge, the exit gradient and the uplift pressure, all decurrent ones of the water seepage for the foundation. This work presents a study on the effectiveness of devices of control of the seepage from parametric analyses carried through in a typical dam using the method of the finite elements through program SEEP/W. In these analyses the characteristics of the devices and the hydraulic anisotropy of the foundation mass had been varied. It was verified that the cut-off trench of partial is extremely inefficacious, that the impermeable blanket to the sum presents about 60% of effectiveness for relations between the blanket length and the width of the base of the dam of the order of 1.70 and that the cut-off trench of associated to the drainage devices constitues the solution most effective in the control of the variables discharge, exit gradient and the uplift pressure.

No Brasil, o processo de urbanização caracterizou-se pela falta de planejamento e infraestrutura adequada, potencializando os impactos advindos das enchentes e inundações. Para mitigá-los, é necessária a realização de estudos hidrológicos que busquem compreender e representar o comportamento da bacia hidrográfica frente aos eventos chuvosos. Uma das ferramentas mais utilizadas para a execução dessa tarefa são os Sistemas de Suporte à Decisão (SSDs) aplicados na área de recursos hídricos, destacando-se o Sistema de Suporte a Decisões para Análise de Ondas de Cheias em Bacias Complexas (ABC6). O ABC6 caracteriza-se por ser um software brasileiro, gratuito e apresentar diversos modelos de determinação da precipitação efetiva e de geração de hidrogramas sintéticos. Quando os dados hidrológicos da área de estudo, como precipitação e vazão, encontram-se disponíveis, os parâmetros desses modelos podem ser determinados. Caso contrário, faz-se necessário estima-los por meio de formulações empíricas, sendo questionável a aplicação dessas formulações em áreas com características diferentes às de sua determinação. Dessa forma, a proposta do presente trabalho consistiu em avaliar o desempenho dos modelos presentes no ABC6, utilizando suas formulações empíricas para estimar o tempo de concentração e os parâmetros dos modelos de precipitação efetiva e de geração de hidrogramas sintéticos de uma bacia hidrográfica em processo de urbanização. Os resultados obtidos colocaram em xeque a validade dos valores dos parâmetros sugeridos em literatura técnica, do modelo do SCS para a determinação da precipitação efetiva e das rotinas de cálculo do ABC6 para os modelos de Horton e de Green-Ampt. Os resultados demonstraram a necessidade da atualização das rotinas de cálculo presentes no ABC6, de forma a torna-lo mais robusto, e da elaboração de um manual técnico detalhado de suas rotinas computacionais, orientando ao usuário de forma a extrair o máximo de sua potencialidade em estudos hidrológicos. Demonstrou-se, também, a necessidade de estudos regionalizados, de forma a incorporar as características e peculiaridades de cada região aos parâmetros a serem utilizados. / In Brazil, the urbanization process was characterized by the lack of planning and adequate infrastructure, strengthening the arising of floods and flooding. In order to mitigate them, it is necessary to conduct hydrological studies that seek to understand and represent the behavior of the watershed when facing rainfall events. One of the most used tools to perform this task is the Decision Support Systems (DSS) applied in the water resources area, highlighting the Decision Support System for Flood Wave Analysis in Complex Watersheds (ABC6). The ABC6 is characterized by being a free Brazilian software and it presents many models to determine the effective precipitation and to generate synthetic hydrographs. When the hydrological data of the study area are available, such as precipitation and flow, the models parameters can be determined. Otherwise, it is necessary to estimate them through empirical formulations so that the application of these formulations is questionable in areas with different characteristics from those of their determination. Thus, the purpose of this study was to assess the performance of the models presented in ABC6 by using their empirical formulations in order to estimate the time of concentration and the model parameters of effective precipitation and synthetic hydrograph generation for a watershed in the process of urbanization. The results put into question the validity of the parameters values suggested in the technical literature of the SCS model, which is used for the effective precipitation determination and the ABC6 calculation routines for models of Horton and Green-Ampt. The results presented the need of updating the calculation routines presented in the ABC6 in order to make it more robust, and the need of the elaboration of a detailed technical manual of its computational routines, guiding the user in order to make the most of its potential in hydrological studies. In addition, it has been demonstrated a need for regionalized studies in order to incorporate the features and characteristics of each region to the parameters to be used.

Entre os objetivos da engenharia geotécnica está a busca pelo entendimento e previsão do comportamento mecânico dos solos. Para isso, existem basicamente duas abordagens: ensaios de laboratório ou ensaios de campo. Em cada obra o Engenheiro Geotécnico deve julgar quais são os métodos e procedimentos mais indicados de investigação, que resultarão em parâmetros confiáveis de projeto. Os ensaios de campo foram desenvolvidos baseados nos solos argilosos e arenosos em virtude dos comportamentos distintamente bem definidos, especialmente em termos de drenagem. O mesmo ocorre para o ensaio DMT, cuja execução e interpretação são influenciadas pelo tipo de solo e pelas condições de drenagem. O grande desafio, neste caso, está na interpretação dos ensaios em solos cuja solicitação ocorre sob condição de drenagem parcial, como nos casos de barragens de rejeito de mineração, ou em depósitos naturais de solos siltosos, onde esta condição pode levar a erros de interpretação. No DMT, a ocorrência de drenagem parcial influencia tanto na etapa de cravação da lâmina, quanto na etapa de expansão da membrana. Neste sentido, o foco deste trabalho está no problema da dissipação de poropressão durante a expansão da membrana, apresentando procedimentos especiais para realização do ensaio DMT. Serão apresentados dois métodos de interpretação de resultados, visando compensar os erros de interpretação causados pela dissipação parcial de poropressão: Método de Dissipação Completa e, Método de Dissipação Incompleta. Este trabalho foi desenvolvido baseado na realização de ensaios de campo, com uma campanha executada em solo brasileiro argiloso, que serviu de base à interpretação, sendo complementada por 6 ensaios realizados em diferentes sítios na Itália. Os resultados dos ensaios realizados pelo Método de Dissipação Completa foram interpretados através de duas abordagens: Método da Igualdade (analítico) e Método Simplificado. Enquanto a interpretação do Método de Dissipação Incompleta é permitida apenas através de procedimento simplificado. A análise paramétrica apresentou comportamentos similares entre ambas abordagens, demonstrando que a taxa de dissipação é o fator que mais influencia nos resultados. Ao final, os métodos foram aplicados e validados em diferentes locais, apresentando resultados adequados e compatíveis com o comportamento previamente definido através de outros ensaios. / Among the geotechnical engineering goals are the understanding and prediction of soil behavior. For this, there are basically two approaches: laboratory or in situ tests. In this case, the Geotechnical Engineer must judge the most appropriate investigation methods and procedures that will result in reliable design parameters. In situ tests were developed for clay and sand given to the fact that the behavior of these soils is well-defined and drainage conditions are properly controlled. The DMT is no exception, with test and interpretation methods influenced by the drainage conditions. The challenge resides in the interpretation of tests carried out in soils under partial-drainage conditions, such as tailings dams or natural deposits of silty soils, where partial-drainage conditions are taking place around the DMT blade leading to errors on its interpretation. The partial drainage condition influences both the DMT blade penetration phase and the membrane expansion phase. In this sense, this work focus on the problem of the pore pressure dissipation taking place simultaneously to membrane expansion. A non-standard procedure is proposed to sounding the DMT in silts that include two methods for DMT interpretation in order to compensate the errors caused by the partial pore pressure dissipation: Method of Complete Dissipation Curve and Method of Incomplete Dissipation Curve. This work was developed based on tests carried out in Brazilian clay soils to develop the proposed approach that was validated latter in non-standard tests carried out in different Italian sites. The results of the tests performed by the complete dissipation method were interpreted through two approaches: Equality Method (analytical) and Simplified Method, while the interpretation of the incomplete dissipation method is possible only through simplified procedure. The parametric analysis showed that these approaches yield similar results, demonstrating that the dissipation rate is the most important factor in the analysis. At the end, the methods were applied and validated at different sites, showing results that are compatible to previously defined behavior of the soils.

A mineração do carvão no sul de Santa Catarina se desenvolve há mais de um século e a falta de gerenciamento ambiental nos empreendimentos mineiros causou significativas alterações de qualidade nos recursos hídricos superficiais e subterrâneos da Bacia Hidrográfica do Araranguá. Além da alteração na qualidade das águas, fenômenos de abatimento de minas subterrâneas ocasionaram o fraturamento das camadas sobrejacentes, e permitiram a ampliação dos processos de circulação dos sistemas aquíferos com corpos hídricos superficiais. Como objetivo de melhorar o entendimento sobre os impactos na qualidade das águas e nas condições de fluxo subterrâneo, foram analisadas amostras das águas de 9 poços do Sistema Aquífero Rio Bonito, 4 poços do Sistema Aquífero de Leques Aluviais e 6 amostras de águas superficiais das mesmas microbacias onde estão instalados os poços. As análises hidroquímicas indicam uma predominância de águas bicarbonatadas cálcicas e sódicas, que quando em contato com a drenagem ácida de mina são transformadas em águas sulfatadas. Os valores isotópicos de δ2H e δ18O das amostras evidencia semelhança com a composição isotópica das águas meteóricas, contribuindo com a hipótese da forte interação da água subterrânea com as águas freáticas e superficiais, que ocorre devido à tectônica rúptil que afeta as litologias gonduânicas, e é intensificada pela presença das minas de subsolo. / Coal mining in southern Santa Catarina has been developed over a century and the absence of environmental management in mining projects caused significant quality changes in the surface and underground waters of the Araranguá Basin. In addition to the change in water quality, collapses have occurred in underground mines which caused the fracturing of overlying layers and allowed the expansion of aquifer systems and its integration with surface waters circulation processes. In order to better understand the impacts on water quality and groundwater flow conditions, samples of 9 wells from Rio Bonito Aquifer System, 4 wells from Alluvial Fan Aquifer System and 6 from surface waters of the same catchments were analyzed. Hydrochemical analysis indicates a predominance of calcium and sodium bicarbonate waters which when in contact with acid mine drainage are transformed into sulfated waters. The isotopic values δ2H and δ18O shows similarity to isotopic composition of meteoric waters, contributing to the hypothesis of the strong interaction between groundwater, waters from water table and surface waters, which occurs due to the ruptured tectonics affecting gondwana lithologies and it is intensified by the presence of underground mines.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Na drenagem ácida de mina a contaminação pelo manganês é notável e se caracteriza como um dos principais problemas ambientais vivenciados pela indústria mineradora. Este elemento tem sido frequentemente encontrado em concentrações muito acima do limite permitido para o lançamento que, de acordo Resolução CONAMA No. 430, é de 1,0 mg/L. Neste contexto, a precipitação oxidativa com KMnO4, quando empregada para recuperação e remoção do manganês, se destaca como um processo promissor. Neste trabalho, a primeira etapa constou de um planejamento estatístico onde foi possível a avaliação da influência de parâmetros de processo e a modelagem empírica da precipitação oxidativa do Mn II em amostras preparadas em laboratório. Foram avaliados quatro parâmetros: a dose de KMnO4, o pH, o tempo de reação e a concentração da solução de KMnO4. Apenas a dose de KMnO4, o pH e a interação entre estes dois fatores apresentaram influência significativa sobre o processo de precipitação oxidativa do manganês. Na etapa de otimização, a análise do aspecto das superfícies de resposta, descritas por modelos matemáticos empíricos, permitiu avaliar as combinações entre o pH e a dose de KMnO4 que contribuem para uma maior eficiência do processo. Os melhores resultados foram obtidos para doses de KMnO4 de 1,63 mg KMnO4/mg Mn II em pH 3,0 e 1,54 mg KMnO4/mg Mn II em pH 5,0. As remoções de manganês observadas nestas condições foram 99,84% e 99,90% respectivamente, para uma concentração inicial de 100 mg/L. Posteriormente, o estudo cinético do processo utilizando soluções de Mn II preparadas em laboratório, mostrou que a precipitação do manganês com KMnO4 apresenta a vantagem de ser rápida. A concentração de Mn II decresceu exponencialmente atingindo limites inferiores a 1,0 mg/L em menos de 10 minutos de reação. A cinética da reação foi favorecida com a elevação do pH. Os precipitados formados apresentaram baixa cristalinidade com pequenas diferenças morfológicas em função do pH do meio, sendo a fase mineralógica encontrada a birnessita (MnO2), de acordo com espectroscopia RAMAN. Estas observações experimentais estão de acordo com os resultados da modelagem realizada com o programa PHREEQC, na qual a presença do óxido de manganês MnO2 foi confirmada nas fases birnessita, pirolusita e nsutita. Na etapa final, amostras de drenagem ácida oriundas de uma antiga mina de urânio desativada foram caracterizadas quimicamente e submetidas ao tratamento com KMnO4 em escala laboratorial. A caracterização das amostras mostrou que os parâmetros que estão fora da especificação segundo a legislação são o manganês, o fluoreto e também o pH. Além disso, as concentrações de cálcio, alumínio e sulfato são relativamente elevadas. O ensaios de precipitação oxidativa foram conduzidos em valores de pH 3,0, 5,0 e 7,0. Em pH 7,0 o processo mostrou-se mais eficiente, não apenas em relação a remoção de Mn II, que alcançou níveis de aproximadamente 99 %, mas também em termos da velocidade de reação, sendo o equilíbrio atingido em 10 min de reação. Verificou-se uma remoção mais significativa dos outros componentes como ferro, alumínio e urânio na etapa de ajuste do pH para 7,0 com NaOH. Os precipitados formados na etapa de oxidação não apresentaram cristalinidade, contudo foram identificadas as fases birnessita (MnO2), hausmanita (Mn3O4) e manganita (MnOOH), de acordo com espectroscopia RAMAN. Além do manganês, foram detectados nos precipitados: alumínio, cálcio, zinco, urânio, terras raras, oxigênio e flúor. A simulação com o PHREEQC permitiu a identificação das fases termodinamicamente possíveis em cada etapa do processo. Na etapa de ajuste de pH foram formadas, principalmente, fases contendo ferro, urânio, alumínio e o manganês. A etapa de adição do agente oxidante foi caracterizada por remoções de manganês nas fases birnessita (MnO2), bixbyita (Mn2O3), hausmanita (Mn3O4), manganita (MnOOH), nsutita (MnO2), pirolusita (MnO2) e cálcio na forma de fluorita (CaF2) / The manganese contamination present in acid mine drainage is outstanding as one of the main environmental issues experienced by the mining sector. This element has been frequently found in concentrations much higher than the allowed limit for discharge which is 1.0 mg/L according to Brazilian legislation, CONAMA No. 430. In this context, the oxidative precipitation by KMnO4, when employed to recover and remove manganese is a promising process. In this work, throughout a statistical design it was possible to assess the influence of process parameters as well as the empirical modeling of oxidative precipitation of Mn II in laboratory prepared samples. The experiments consisted of evaluating four parameters: the KMnO4 dose, pH, reaction time and concentration of KMnO4 solution. Only the dose of KMnO4, the pH and the interaction between these two factors have shown significant influence. In the optimization stage, by observing the aspect of the response surfaces, described by empirical mathematical models, it was possible to find out the combinations between pH and KMnO4 dose that could increase the process efficiency. The best results were obtained throughout trials conduct at pH 3.0 with KMnO4 ratio of 1.63 mg KMnO4/mg Mn II and at pH 5.0 with ratio of 1.54 mg KMnO4/mg Mn II. The manganese removals under these conditions were 99.84% and 99.90%, respectively. Subsequently, the kinetics study was carried out by using solutions of Mn II prepared in the laboratory. The results have shown that the precipitation of manganese by KMnO4 has the advantage of being fast. The concentration of Mn II decreases exponentially reaching the lower limit of 1.0 mg/L around 10 minutes of reaction. Additionally, the kinetics of the reaction is favored with increasing pH. The produced precipitates have low crystallinity and show slight morphologic differences according to the pH assessed. The main mineral phase identified by RAMAN spectroscopy was birnessite (MnO2). These experimental observations match with the modeling results performed withPHREEQC, in which the presence of manganese oxide MnO2 was identified as birnessite, pyrolusite and nsutita. In the final step, samples of acid mine drainage originated from one former and inactive uranium mine were chemically characterized and underwent with KMnO4 in bench scale. The samples characterization showed that manganese, fluoride and the pH are beyond limits set by legislation. Furthermore, the calcium, aluminum and sulphate are present in relatively high concentrations. The oxidative precipitation trials were carried out at pH 3.0, 5.0 and 7.0. At pH 7.0 the process was more efficient for the removal of Mn II, which accomplished levels of approximately 99%, and also in terms of reaction rate, the equilibrium was achieved within 10 min of reaction. Under the same condition i.e., at pH 7.0, there was an increase in the removal of other components such as iron, aluminum and uranium. The precipitates formed were not crystalline; nevertheless it was possible to identified the phases birnessite (MnO2), and possibly hausmanita (Mn3O4) and manganite (MnOOH) by RAMAN spectroscopy. Besides manganese, the species aluminum, calcium, zinc, uranium, rare earths, oxygen and fluorine were also detected in the precipitated. The simulation with PHREEQC enabled the identification of thermodynamically possible phases at each stage of the process. In the step of pH adjustment, essentially, phases containing iron, uranium, manganese and aluminum are formed. The adding of KMnO4 is characterized by manganese and calcium removal as birnessite (MnO2), bixbyite (Mn2O3), hausmaninte (Mn3O4), manganite (MnOOH), nsutite (MnO2), pyrolusite (MnO2) and fluorite (CaF2).

Minerais sulfetados expostos às condições atmosféricas podem ocasionar impactos. O rejeito da atividade mineradora, metais reduzidos, em contato com o oxigênio e água, resulta na liberação de prótons, íons sulfato e metais no meio aquoso, processo acelerado por bactérias. Ao meio formado dá-se o nome de Drenagem Ácida de Minas (DAM). A biorremediação vem sendo investigada para o tratamento deste efluente. Bactérias redutoras de sulfato possibilitam simultaneamente elevação de pH, remoção de sulfato e consequentemente de metais por precipitação na forma de sulfetos metálicos. Publicações anteriores revelam bons resultados, entretanto poucas investigaram simultaneamente a geração de alcalinidade, redução de sulfato, oxidação de etanol e remoção de metais em condições que gradativamente se aproximam das condições reais da DAM. Este projeto investigou o processo de precipitação dos metais ferro, zinco e cobre por sulfeto gerado a partir de um reator biológico em batelada para redução de sulfato de drenagem ácida de minas tendo como doador de elétrons o etanol. O trabalho foi dividido em duas etapas sendo que a primeira possuía variação do pH e a segunda na concentração de metais. Foi observado que independente do pH inicial, ocorreu geração de alcalinidade, sendo o pH final observado em todos os ciclos entre 6 e 7. O abaixamento do pH inicial esteve relacionado diretamente às melhores taxas de remoção de sulfato, sendo as remoções alcançadas de 39, 44 e 52%, para o pH inicial de 6, 5 e 4, respectivamente. A remoção de sulfato também melhorou conforme se aumentou a concentração de metais. Enquanto havia apenas ferro a remoção de sulfato foi de 57% em média, com ferro e zinco de 61% e com ferro, zinco e cobre a remoção chegou a 82% em média. Em todas as condições a remoção de DQO foi alta, com no mínimo 91% de média e chegando a 100%. As remoções de metais chegaram a 92% em média para ferro, 99% para zinco e em 100% para cobre. O parâmetro cinético (k) variou de acordo com os distintos valores de remoção de sulfato. Na fase inicial onde houve adaptação do inóculo, o ajuste cinético de ordem 1 não representou bem o comportamento do reator refletindo uma instabilidade nessa fase da operação (0,14±0,15) h-1. A partir do decaimento do pH inicial, o ajuste cinético de ordem 1 representou bem o comportamento dos dados e o parâmetro k aumenta consideravelmente sendo que quando todos os metais já haviam sido adicionados foi obtido o maior valor (0,44±0,04) h-1. Quanto ao ferro, os parâmetros cinéticos obtidos indicaram que o valor do k foi menor quando a precipitação do ferro concorria com a presença de zinco e cobre. A avaliação do sulfato nesta configuração de reator biológico permitiu estabelecer condições favoráveis de operação e mostrou que sistemas sulfetogênicos respondem melhor em baixos pHs e na presença de alguns metais, conforme as condições da DAM sintética se aproxima das reais. Essa condição é essencial quando se objetiva a utilização de sistemas sulfetogênicos para biorremediação de drenagem ácida de minas. / Sulfide minerals exposed to atmospheric conditions may cause impacts. The tailings from mining activity, reduced metals in contact with oxygen and water result in the release of protons, sulfate ions and metals in aqueous environment, a process accelerated by microorganisms. The designation for this effluent is Acid Mine Drainage (AMD). Bioremediation has been investigated for the treatment of this effluent. Sulfate-reducing bacteria enable simultaneous pH elevation, sulfate removal and consequently metals removal by precipitation as metal sulfides. Previous published researches reveal satisfying results, although few have investigated simultaneously the generation of alkalinity, sulfate reduction, oxidation of ethanol and removal of metals in conditions that gradually approach the real conditions of DAM. This research investigated the process of precipitation of the metals iron, zinc and copper by sulfide generated from a biological batch reactor for sulfate reduction of acid mine drainage, having the ethanol as electron donor. The study was divided into two stages, the first of which had variation in pH and the second, in the concentration of metals. It was observed that regardless of the initial pH, alkalinity generation has occurred and the final pH observed in all cycles remained between 6 and 7. The decline of the initial pH was directly related to the best sulfate removal rates and the achieved removals 39, 44 and 52%, for the initial pH of 6, 5 and 4, respectively. The sulfate removal was also improved as increased the concentration of metals. While there was only iron, sulfate removal was 57% on average; with iron and zinc, it was 61%; and with iron, zinc and copper removal reached 82% on average. In all conditions the COD removal was high, with at least 91% average and reaching 100%. The removals of metals reached 92% on average for iron, 99% for zinc and 100% for copper. The kinetic parameter (k) varied according to different values ??of the sulfate removal. In the initial phase, in which there was adaption of the inoculum, it did not represent well the behavior of the reactor, reflecting instability in this phase of the operation (0.14 ± 0.15) h-1. As the initial pH decays, the kinetic adjustment of order 1 represents well the behavior of the data and the parameter k increases considerably; plus, when all the metals had been added, the highest value was obtained (0.44 ± 0.04) h-1. As for the iron, the kinetic parameters obtained indicated that the value of k was reduced when the precipitation of iron competed with the presence of zinc and copper. The evaluation of sulfate in this configuration of biological reactor allowed us to establish favorable conditions of operation and showed that sulfetogenic systems respond better at low pHs and in the presence of certain metals, as the conditions of the synthetic DMA approach the actual ones. This condition is essential when one aims to use sulfetogenic systems for bioremediation of acid mine drainage.