Made available in DSpace on 2014-10-09T12:42:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:05:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 05388.pdf: 9818517 bytes, checksum: bdfdbbcb4aa099f55674248bc43a1c69 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Submitted by Sara Maciel Penachio null (sarapenachio@hotmail.com) on 2017-09-22T17:40:45Z No. of bitstreams: 1 Dissertação autoarquivamento.pdf: 4057029 bytes, checksum: 6f80ae6a04104d8f6c679123d26bd11a (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-09-25T14:58:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 penachio_sm_me_bot.pdf: 4057029 bytes, checksum: 6f80ae6a04104d8f6c679123d26bd11a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-25T14:58:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 penachio_sm_me_bot.pdf: 4057029 bytes, checksum: 6f80ae6a04104d8f6c679123d26bd11a (MD5) Previous issue date: 2017-07-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Com o aumento da população e a concentração desta em áreas urbanas, assim como o aumento de cultivo de grandes culturas em áreas agrícolas, cresce a impermeabilidade do solo e a diminuição de água infiltrada no mesmo. Um exemplo disso são os casos de enchentes relatados em grandes centros urbanos em épocas chuvosas e a compactação do solo advinda da ausência de planejamento no uso de máquinas agrícolas e pecuária. O estudo tem por objetivo avaliar a eficácia de Índices de Diferença Normalizada por meio de análise multicritério na discriminação do potencial de permeabilidade da Fazenda Experimental Lageado, objeto de estudo do presente trabalho, que possui uma área de 940,4 ha compreendendo departamentos, administração e área agrícola. A permeabilidade do solo é influenciada principalmente pela porosidade total, macro e microporosidade do solo. Além desses fatores, a resistência à penetração é um fator de grande importância para determiná-la. O atributo físico macroporosidade é o fator que mostra maior correlação com a permeabilidade do solo. Pelo sensoriamento remoto (SR) existem diversos índices que permitem a visualização de diferentes materiais na superfície da terra, que são aplicados utilizando a refletância da luz do sol nesses alvos, assim como a emissão de ondas eletromagnéticas por esses. Não só os índices associados ao uso do solo, como também outros fatores estão correlacionados com o potencial de permeabilidade (PP) do solo e podem ser processados e visualizados dentro de um ambiente de Sistemas de Informação Geográfica. A análise multicritério é a avaliação que combina diversos critérios, facilitando a tomada de decisão. Existem vários modelos dentro dessa análise os quais podem ser combinados com o sistema de informação geográfica. Neste trabalho a análise foi elaborada pelo processo hierárquico e o resultado final implicou em dados de potencial de permeabilidade mostrando viabilidade dos índices de vegetação, associados ao uso do solo, para estimar de maneira indireta a permeabilidade do solo da Fazenda Experimental Lageado. / The population augmentation, and its concentration in urban sites as well as the expansion in agricultural areas of major crops reduce the soil hydraulic conductivity and the soil’s infiltration water. In example of the consequences of those facts, there are the occurrences of floods in great cities, and the compaction of the soils due to the bad agricultural and livestock operational planning. This Study aims to verify the efficiency of vegetation index with multicriteria analysis in the discrimination of the hydraulic conductivity potential on The Fazenda Experimental Lageado (Lageado Experimental Farm), the present study object, which has an area of 940.4 ha, and includes departments, administration buildings and agriculture areas. The soil hydraulic conductivity is mainly affected by the total, macro and micro porosity; beside these factors, the penetration resistance is a factor of great importance to determine it. The macroporosity is the soil physical property that shows the most correlation to the soil hydraulic conductivity. Several indexes in the remote sensing allow the visualization of different earth surface materials, which are made by the sun emittance in different wavelengths reflected onto Earth’s surface as well as its own emittance. The vegetation index, and other factors might correlate to the hydraulic conductivity, and a Geographic Information System (GIS) can process, and show its data. The multicriteria analysis uses different factors to ease the decision taking, and it has different models a GIS can process. In this essay the analysis used the Analytic Hierarchic Process (AHP), which the results displayed the hydraulic conductivity potential demonstrating the efficiency of vegetation index jointly land use land cover to indirectly estimate the Fazenda Experimental Lageado’s soil hydraulic conductivity. / CNPq: 134417/2015-1

Orientador: Maria Helena Moraes / Banca: Celia Regina Paes Bueno / Banca: Ana Maria Conte e Castro / Resumo: As propriedades físicas dos solos agricultáveis vêm sofrendo grandes modificações, sendo a compactação apontada como a principal causa destas mudanças em virtude do tráfego máquinas e uso inadequado de equipamentos agrícolas. A compactação ocorre principalmente em solos úmidos, pois a água age como agente lubrificante, melhorando o arranjo entre as partículas. Por isso a importância da adição de matéria orgânica ao solo, já que esta possui um alto poder de adsorção de água, minimizando os efeitos ocasionados pela compactação. O trabalho foi desenvolvido com o objetivo de avaliar a eficiência da utilização de materiais orgânicos em algumas propriedades físicas de um Latossolo Vermelho submetido à compactação, por análises de imagens e de rotina. O experimento foi conduzido em laboratório no Departamento de Recursos Naturais - Ciência do Solo, na Faculdade de Ciências Agronômicas - UNESP, em Botucatu-SP. O delineamento adotado foi o inteiramente casualizado, constituído por 32 tratamentos, em esquema fatorial duplo 4x4, sendo, para cada material orgânico (serragem e BIOMIX®), quatro intensidades de compactação e quatro doses dos materiais (0, 30, 50 e 80 t ha-1), com quatro repetições. Amostras deformadas foram coletadas na camada de 0 a 20 cm de um Latossolo Vermelho distroférrico textura argilosa sob vegetação de mata. A umidade de máxima compactação do solo foi obtida pelo ensaio de Proctor Normal. As amostras de solo foram peneiradas, misturadas às doses dos materiais orgânicos, mantidas em repousou por 30 dias, novamente peneiradas e o conteúdo de água corrigido para 27%. Subamostras foram colocadas em tubos de PVC e compactadas com o auxílio de uma prensa hidráulica, a fim de atingir as intensidades de compactação desejadas. As propriedades físicas avaliadas foram a densidade do solo, a porosidade total... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Compaction is a process that changes negatively the soil physical properties and occurs mainly due to intensive use of machinery and implements for agricultural activities. The addition of organic matter in soil is of great importance to minimize this process by increasing the water demand for the soil reaches the optimum moisture content for compaction. To evaluate the change in physical properties of a soil submitted to compaction, when managed with organic material, an experiment was conducted in the laboratory of the Natural Resources Department - Soil Science, FCA/UNESP, Botucatu-SP, assessed by routine and image analysis. The experimental design was completely randomized design, consisting of 32 treatments in a factorial 4x4 double, and, for each organic material (sawdust and BIOMIX®) four compaction levels and four doses of the materials (0, 30, 50 and 80 t. ha-1), with four replications. Deformed samples were collected from a clayey Oxisol under forest in the layer from 0 to 20 cm. The moisture for maximum soil compaction was obtained using the Standard Proctor test. Soil samples were sieved, mixed with doses of organic materials, incubated for 30 days, sieved again and the water content adjusted to 27%. Sub samples were put in PVC tubes and compressed with the aid of a hydraulic press in order to obtain the desired compaction levels. The physical properties evaluated were soil bulk density, porosity, macroporosity, microporosity, soil penetration resistance and hydraulic 5 conductivity. In addition to the routine method, the evaluation of the compaction effects on macroporosity was done by image analysis acquired from samples after the resin impregnation in the soil samples. The images taken with digital camera were processed in the Visilog 5.4. Statistical analysis was performed using Sisvar version 4.6 (2003), resulting in the analysis of variance and regression test... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

A técnica de estabilização de solos através da incorporação de agentes cimentantes é uma opção eficaz e amplamente utilizada em obras de engenharia geotécnica. Portanto, são relevantes os estudos que contemplam aspectos ainda não bem compreendidos relativos aos efeitos causados pela adição de agentes cimentantes na porosidade dos materiais obtidos e, por consequência, nas propriedades de desempenho destas misturas. Neste sentido, o presente trabalho pretende contribuir no que tange ao conhecimento da estrutura de poros de solos compactados tratados com cal e cimento e sua relação com o comportamento hidráulico destes materiais. Os solos utilizados têm granulometria arenosa e areno-siltosa. As variáveis de controle envolvidas nas análises são os teores dos agentes de cimentação empregados (cal e cimento), densidades de compactação e tempos de cura (para amostras com cal). Para a caracterização dos sistemas de poros empregou-se porosimetria por intrusão de Mercúrio e, de forma complementar, na quantificação das porosidades globais, microtomografia computadorizada de raios x. Um permeâmetro de parede flexível foi utilizado para as determinações das condutividades hidráulicas das amostras estudadas através de ensaios de carga constante. Para as amostras de matriz arenosa pura, os volumes de intrusão indicaram maior refinamento da rede porosa, sob efeito da cimentação, para as condições mais densas de moldagem. Para as amostras de matriz areno-siltosa, ao se variarem as condições de cimentação, e fixando-se o peso específico aparente seco, os volumes intrudidos indicaram o refinamento dos poros quando da adição de cal ou cimento em comparação à condição não cimentada. Com respeito à análise da influência do tempo de cura para as amostras moldadas com cal, os resultados sugeriram que a adição de cal (aos 7 dias de cura) não causou variação da porosidade, comparada à condição sem cimentação, mas aos 28 dias foi possível perceber o aumento da porosidade global e, com o passar do tempo (180 dias) verificou-se a redução da porosidade. O refinamento dos poros se tornou cada vez mais pronunciado conforme a evolução do tempo. Para a matriz arenosa, foi identificado que a adição de cimento e a variação da porosidade de moldagem não implicaram em mudanças mensuráveis no valor da condutividade hidráulica, quando comparadas às condições com e sem cimento. Para as amostras da matriz areno-siltosa, sob diferentes condições analisadas (adição de cal aos diferentes tempos investigados e adição de cimento), foi evidenciado que o peso específico aparente seco de moldagem causou influência significativa sobre a condutividade hidráulica. Foram obtidos bons ajustes para as correlações condutividade hidráulica versus relação porosidade/teor volumétrico do agente cimentante ao se aplicar a potência de 0,032 sobre o parâmetro teor volumétrico do agente cimentante. As curvas obtidas apresentaram relações distintas e sinalizaram aspectos do comportamento do material: aumento da condutividade hidráulica para 28 dias de cura da cal, em relação a 7 dias; para 180 dias e amostras nas condições menos densas, não ocorreu modificação em relação à idade de 28 dias, mas na condição mais densa o parâmetro investigado tornou-se sensível às modificações promovidas por efeitos do tempo de cura; ainda, para as amostras moldadas com cimento, ocorreu redução mais pronunciada da condutividade hidráulica relacionada às condições mais densas de moldagem. / The soil stabilization technique which incorporates cementing agents is an effective alternative and widely used in geotechnical engineering works. Therefore, research on the aspects not well understood related to the effects caused by the addition of cementing agents on the porosity of the obtained materials and, consequently, on the performance properties of cemented blends, are relevant. In this sense, this study aims to contribute improving the knowledge on the pore structure of compacted soils treated with lime and cement, as well as to the relationship between pore structure and the hydraulic behavior of these materials. The used soils have a sandy and sandy-silty grain size distribution. The studied variables involved in the analysis are: the cement and lime contents; compaction density; and curing time (for samples with lime). To characterize the pore systems it was employed the Mercury intrusion porosimetry test and, additionally, in order to quantify the global porosities, it was used x-ray computed microtomography tests. A flexible wall permeameter was used to determinate the hydraulic conductivity of the samples through constant head tests. For sandy samples, the intrusion volumes indicated a more significant reduction of the porous media, under the effect of the cementation, when compacted in denser conditions. For the sandy-silt samples, it was observed that by maintaining the specific dry unit weight constant and by varying the cementation conditions, the intruded volumes indicated a reduction of the pores after the addition of lime or cement compared to the uncemented samples. With regards to the influence of the curing time for samples treated with lime, the results suggested that the addition of lime after 7 days of curing did not cause variation in porosity, compared to condition without cementing additions; however, after 28 days of curing it was observed a slight increase on the overall porosity and, after 180 days of curing, it was observed a reduction of the porosity. The reduction of the pores became more significant with the curing time. Related to the sandy soil, the results indicated that addition of cement to the soil and variations on the molding porosity did not result in measurable changes in the hydraulic conductivity, when compared the conditions with and without cement. For the sandy-silt samples, which were analyzed under different conditions (addition of lime and different curing times, and addition of cement), it was shown that the specific dry unit weight caused significant influence on the hydraulic conductivity. It was observed a satisfactory correlation between hydraulic conductivity and porosity/cementing agent ratio when the volumetric cementing agent content is to the power of 0,032. The obtained curves showed distinct relationships and indicated the following aspects of the material behaviour: the increasing of the hydraulic conductivity after 28 days of curing of the sample with lime, compared to 7 days of curing; after 180 days of curing and under low compaction conditions, it was observed no changes when compared to the samples tested after 28 days of curing; however, in the densest condition the investigated parameter became dependent on the curing time; moreover, for the samples molded with cement, it was observed a more significant reduction of the hydraulic conductivity related to denser molded conditions.

A abordagem do comportamento hidráulico associado ao comportamento mecânico de um material é de extrema importância. A técnica de tratamento de solos com cal vem sendo empregada com sucesso na engenharia geotécnica, melhorando as características do solo, que por ser um material complexo e variável nem sempre satisfaz as necessidades requeridas para um projeto. Nesse sentido, este estudo tem por objetivo quantificar a influência da quantidade de cal e da porosidade sobre o comportamento hidráulico e mecânico de um solo residual tratado com cal, verificando a adequação do uso da relação vazios/cal na estimativa da condutividade hidráulica, da resistência à compressão simples (qu) e da resistência à tração (qt). Para isso, foram realizados ensaios de condutividade hidráulica e de resistência para corpos de prova com 5%, 7% e 9% de cal, com peso específico aparente seco de 16,0 kN/m³, 17,2 kN/m³ e 18,5 kN/m³, curados por 28 dias. Foi observado que a porosidade da mistura é um parâmetro de influência sobre a condutividade hidráulica medida. Ambas as resistências, à compressão simples e à tração por compressão diametral, aumentaram potencialmente com a redução da porosidade. Verificou-se uma única relação qt/qu igual a 0,13, sendo independente da relação vazios/cal. A metodologia proposta por Consoli (2014), mostrou-se adequada para a determinação dos parâmetros de resistência (intercepto coesivo e ângulo de atrito) para uma relação [n/(Liv)0,12=35. A relação vazios/cal, definida pela razão entre a porosidade da mistura compactada e o teor volumétrico de cal, ajustado por uma potência, demonstrou ser um parâmetro eficaz na estimativa do comportamento hidráulico e mecânico do solo-cal estudado. / The approach of the hydraulic behavior associated with the mechanical behavior of a material is of utmost importance. The technique of treating soil with lime has been used successfully in geotechnical engineering, improving the characteristics of the soil, which is a highly variable and complex material, and does not always meet the required needs. In that sense, this study has for objective to quantify the influence of amounts of lime and of the porosity on the hydraulic and mechanical behavior a sandy silt soil stabilized with lime, checking the suitability of the use de voids/ lime ratio in estimating of the hydraulic conductivity, unconfined compression strength (qu) and tensile strength (qt). For that, number of hydraulic conductivity tests and strength tests were carried out for soil-hydrated lime blends, with lime contents of 5%, 7% e 9%, dry unit weight of 16,0 kN/m³, 17,2 kN/m³ and 18,5 kN/m³, 28 days as curing time. It was observed that the porosity of the mixture is a parameter influence on the hydraulic conductivity measured. The results show the unconfined compressive and the splitting tensile strength increasing potentially with the reduction of its porosity. It was found a single qt/qu relationship equal to 0,13, being independent of the porosity/lime ratio. The methodology suggested by Consoli (2014), was adequate for determining of Mohr-Coulomb failure parameters (effective cohesion intercept effective angle of shearing resistance) for a ratio [n/(Liv)0,12=35. The voids/lime ratio, defined as the ratio between the porosity of the compacted mixture and volumetric lime content, adjusted by a power, demonstrated to be the most appropriate parameter to assess the hydraulic and mechanical behavior of the soil-lime mixture studied.

Esta tese foi desenvolvida para avaliar os impactos das mudanças climáticas ao longo deste século sobre as demandas futuras de água para irrigação da soja na região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul sob uma abordagem estocástica e considerando diferentes projeções de modelos climáticos para o período de 2011-2100, comparando com o passado (1961-1990). As demandas de água para irrigação da soja (IWR) foram obtidas por simulação com o modelo SWAP. O aspecto estocástico desta avaliação foi conduzido pela incorporação da variabilidade espacial da condutividade hidráulica do solo (Ksat) e dos parâmetros da curva de retenção de água no solo (CR). Inicialmente, foi realizada uma análise estocástica destes atributos físico-hidráulicos na bacia do Arroio Donato (1,1 Km2), a qual serviu de área representativa dos solos e do uso do solo da região Noroeste. Foi empregada a técnica de simulação sequencial Gaussiana (SSG) para geração de 100 campos aleatórios de cada variável. Os resultados revelaram maiores incertezas para Ksat e o parâmetro α da CR e permitiu identificar que a grande heterogeneidade espacial e temporal das variáveis analisadas pode estar associada a fatores tais como clima, manejo e cobertura do solo, erros de amostragem, adensamento da malha amostral e também ao grau de compactação do solo. Em seguida foi feita uma investigação para detectar mudanças nos padrões de temperatura (T) e precipitação (P) na região Noroeste do RS (~65.000 Km2) pelo uso de diferentes modelos climáticos de circulação geral e regional (MCGs e MCRs, respectivamente). Sete distintas localizações na região foram consideradas, para as quais há dez diferentes projeções climáticas destes modelos. Adicionalmente, também foram investigadas a frequência e a intensidade de eventos de precipitação extrema utilizando-se de índices de eventos extremos. As projeções indicam um aumento na média anual de temperatura de quase 3ºC até o final do século, bem como um aumento na precipitação anual. Também foi realizada uma análise sazonal de T e P, a qual demonstrou que os maiores aumentos de temperatura são projetados para o inverno e início da primavera e, portanto, não coincidem com os meses de verão da principal cultura da região (soja). De posse das informações anteriores, o modelo SWAP foi utilizado para estimar as demandas de água para irrigação da soja (IWR), sem considerar perdas devido à eficiência de qualquer método de irrigação. Foram feitos também testes de hipóteses sobre as séries de IWR simuladas e os resultados suportam a premissa de que IWR a curto prazo (2025s) não será estatisticamente diferente do período base (1961-1990). Por outro lado, as IWR em 2055s e 2085s rejeitam esta hipótese. Por fim, avaliou-se a influência da distribuição espacial da condutividade hidráulica saturada (Ksat) e dos parâmetros do modelo da curva de retenção de água no solo (α, n e sat) sobre as demandas futuras de água para a irrigação da soja (IWR), segundo uma abordagem estocástica. Os valores simulados pelo método geoestatístico de simulação sequencial Gaussiana foram utilizados como dados de entrada no modelo SWAP. Como dados meteorológicos foram consideradas apenas as projeções do modelo climático regional ETA 20 e ETA 40 CTRL, bem como as projeções dadas pelo modelo climático global HADCM3 nas sete localizações na região. As estimativas obtidas pelo método estocástico foram então comparadas com as estimativas de IWR obtidas sem considerar a variabilidade espacial dos atributos físico-hidráulicos do solo. Os resultados indicaram grande variabilidade espacial dos valores de IWR. Além disso, observou-se que as menores incertezas de IWR foram obtidas a partir das projeções do modelo de melhor resolução espacial, o ETA 20, enquanto o modelo HADCM3 revelou as maiores diferenças entre os períodos futuros e o período atual (base). Os resultados também demonstraram que a maior incerteza é devido aos modelos climáticos, pois a abordagem estocástica praticamente não agregou incerteza aos valores de IWR simulados anteriormente. Por fim, as séries de IWR obtidas pela abordagem determinística e estocástica foram comparadas pelo teste de hipóteses de Kolmogorov-Smirnov, o qual comprovou que as séries só não diferem a curto prazo (2025s) e que, portanto, a variabilidade espacial do solo não pode ser negligenciada nas estimativas desta variável. / This Thesis has been developed to assess the impacts of climate change throughout this century on future water demands for soybean irrigation in the Northwest region of Rio Grande do Sul under a stochastic approach and considering different projections of climate models for the period 2011-2100, compared to the past (1961-1990). The water demands for irrigation (IWR) were obtained by simulation with the SWAP model. The stochastic aspect of this evaluation was conducted by incorporating the spatial variability of the saturated hydraulic conductivity (Ksat) and the parameters of the soil water retention curve (CR). Initially, a stochastic analysis of soil physical-hydraulic attributes (Ksat and CR parameters) in the Donato basin (1,1 Km2) was carried out. This basin served as a representative area of soils and land uses of the Northwest region. The Sequential Gaussian Simulation (SSG) technique was used to generate 100 random fields of each variable. The results revealed greater uncertainty for Ksat and for α parameter of the CR and identified that the large spatial and temporal heterogeneity of the variables may be associated with factors such as climate, management and land cover, sampling error, spatial density of the sampling grid and also the degree of soil compaction. After, an investigation was made to detect changes in temperature (T) and precipitation (P) patterns in the Northwest region of RS (~65.000 Km2) by using different global and regional circulation models (GCM and RCM, respectively). Seven distinct locations in the region were considered, for which there are ten different climate projections of these models. Additionally, it was also investigated the frequency and intensity of extreme rainfall events using extreme event indices. Projections indicate an increase in average annual temperature of almost 3 °C by the end of this century, as well as an increase in annual precipitation. It was also performed a seasonal analysis of T and P, which showed that the largest temperature increases are projected for the winter and early spring and, therefore, do not coincide with the summer months the main crop in the region (soy). Making use of the above information, the SWAP model was applied to estimate the water demand for soybean irrigation (IWR), excluding losses due to the efficiency of any method of irrigation. A hypothesis test for the simulated IWR series and the results supports the premise that in short-term IWR (2025s) is not statistically different from base period (1961-1990). On the other hand, IWR in 2055s and 2085s reject this hypothesis. Finally, the influence of the spatial distribution of the saturated hydraulic conductivity (Ksat) and the parameters of the soil water retention curve (α, sat and n) on IWR was evaluated, according to a stochastic approach. The simulated values form the geostatistical method of Sequential Gaussian Simulation (SGS) were used as input data in the SWAP model. Input data of meteorological information were provided by the projections of regional climate model ETA 20 and ETA 40 CTRL, as well as the projections given by global climate model HADCM3 for the seven locations in the region. Estimates obtained by the stochastic method were then compared with the IWR estimates obtained without considering the spatial variability of physical and hydraulic soil properties. The results indicated large spatial variability of IWR values. Furthermore, it was observed that the smallest uncertainties of IWR were obtained from the projections with better spatial resolution, the ETA 20 model, while the HADCM3 model revealed the highest differences between future periods and the current period (baseline). The results also showed that the greatest uncertainties are probably due to climate models, since the stochastic approach did not add uncertainties to the IWR values simulated previously. Finally, the series of IWR obtained by stochastic and deterministic approaches were compared by the hypothesis test of Kolmogorov-Smirnov, which proved that only the series in the short term (2025s) differ, and, therefore, the soil spatial variability may not be neglected when estimating this variable.

Over an extended period of time there have been plans to establish a shared facility in Lennheden to extract groundwater from the Badelunda esker to provide drinking water for the cities of Borlänge and Falun. The city of Falun is dissatisfied with the quality of its drinking water and the city of Borlänge is concerned about the risk of contamination of its existing groundwater supply at its current location. To provide a basis for a decision on this issue, the company Midvatten AB has been commissioned to perform hydrogeological investigations in the area of Lennheden. The purpose of this thesis is to design a functional groundwater model of the area between Lennheden, place of planned extraction, and Övre Tjärna, place of existing extraction, to get a better understanding of the groundwater situation in the area. A groundwater model enables simulations of different scenarios in risk assessment and contaminant transport. The aim of the thesis is that the model can be used as an aid in Midvatten’s investigations in Lennheden and that it also can be used in future projects in the area. The model has been made in Processing Modflow 5.3 and encompasses an area of 19,5 × 11 km along the Badelunda esker and the river Dalälven between Djurmo and Frostbrunnsdalen. The model has 6 layers and a cell resolution of 50 × 50 meters and 50 × 100 meters. The physical parameters of the model are comprised from different hydrological and geological investigations in the area. The Badelunda esker and the river Dalälven totally dominate the groundwater situation in the area. A large part of the work in the thesis has been focused on the calibration of the horizontal hydraulic conductivity in the esker and the vertical hydraulic conductivity in the riverbed of Dalälven. The calibration of the model implies a vertical hydraulic conductivity of 0,01 – 0,1 md-1 in the riverbed of Dalälven, depending on the riverbed thickness. Between Bäsna and Övre Tjärna, simulated and observed groundwater levels correspond well. The transport time of the water in the esker, simulated in PMPATH, also corresponds well with estimated transport times. The model can be used for simpler studies of contaminant transport. Simulation of the pumping test in Lennheden gives a good correspondence eastward in the esker from Lennheden to Övre Tjärna. Westward in the esker, from Lennheden to Bäsna, the draw down is sharper than observed. Possible reasons for the sharper draw down is an underestimation of the bulk of the esker and that the vertical hydraulic conductivity of the riverbed is set too low between Lennheden and Bäsna. In order to improve the model, the most important step should be to thoroughly investigate the river Dalälven with regards to vertical hydraulic conductivity in the riverbed and riverbed thickness. / Under en längre tid har det funnits planer på att upprätta en ny, gemensam vattentäkt för Borlänge och Falu kommun i Badelundaåsen i Lennheden nordväst om Borlänge stad. Falu kommun är missnöjd med vattenkvaliteten i sin ytvattentäkt och Borlänge är oroad över riskerna med att ha sin nuvarande vattentäkt i Badelundaåsen lokaliserad i nära anslutning till riksväg 70 och järnvägen. Beslut i frågan ska tas under 2006 och Midvatten AB har fått i uppdrag att genomföra geohydrologiska undersökningar i och runt Lennheden som underlag till beslutet. Syftet med det här examensarbetet är att skapa en fungerande grundvattenmodell för området mellan Lennheden, plats för planerat vattenuttag, och Övre Tjärna, plats för befintligt vattenuttag, för att få en större förståelse för grundvattenmagasinet. En grundvattenmodell möjliggör simulering av olika scenarion så som föroreningstransport i grundvattnet och bestämning av skyddsområden. Målet är att modellen ska kunna användas som ett komplement i Midvattens undersökningar och även användas i framtida projekt i området. Modellen är gjord i Processing Modflow 5.3 och omfattar ett 19,5 × 11 km stort område längs Badelundaåsen och Dalälven mellan Djurmo och Frostbrunnsdalen. Modellen består av 6 lager där cellernas upplösning är 50 × 50 meter och 50 × 100 meter. De fysiska parametrar som modellen är uppbyggd av är sammanställda från olika hydrologiska och geologiska undersökningar som har utförts i området de senaste 30 åren. Badelundaåsen och Dalälven är de två komponenter som totalt dominerar grundvattensituationen i området. En stor del av arbetet har fokuserats på kalibreringen av den horisontella hydrauliska konduktiviteten i åsen och den vertikala hydrauliska konduktiviteten i Dalälvens botten. I modellen är den vertikala hydrauliska konduktiviteten i Dalälvens botten kalibrerad till intervallet 0,01 – 0,1 md-1 beroende på bottnens mäktighet. På sträckan mellan Bäsna och Övre Tjärna så fungerar modellen bra. Simulerade och observerade grundvattennivåer stämmer väl överens. Även vattnets transporttider i åsen, simulerade i PMPATH, stämmer väl överens med uppskattade transporttider. Modellen kan användas för enklare studier av ämnestransport. Vid simulering av provpumpningen i Lennheden så är överensstämmelsen god österut i åsen, från Lennheden till Övre Tjärna. Västerut i åsen, från Lennheden till Bäsna, är avsänkningen av grundvattennivån för kraftig. Möjliga orsaker till den för kraftiga avsänkningen är att åsens utbredning är underskattad och att Dalälvens botten har en för lågt ansatt vertikal hydraulisk konduktivitet längs sträckan Lennheden – Bäsna. Den klart viktigaste åtgärden för att förbättra modellen skulle vara att grundligt undersöka Dalälven, särskilt längs sträckan Djurmo – Båtsta, med avseende på dess bottens vertikala hydrauliska konduktivitet och mäktighet.

A abordagem do comportamento hidráulico associado ao comportamento mecânico de um material é de extrema importância. A técnica de tratamento de solos com cal vem sendo empregada com sucesso na engenharia geotécnica, melhorando as características do solo, que por ser um material complexo e variável nem sempre satisfaz as necessidades requeridas para um projeto. Nesse sentido, este estudo tem por objetivo quantificar a influência da quantidade de cal e da porosidade sobre o comportamento hidráulico e mecânico de um solo residual tratado com cal, verificando a adequação do uso da relação vazios/cal na estimativa da condutividade hidráulica, da resistência à compressão simples (qu) e da resistência à tração (qt). Para isso, foram realizados ensaios de condutividade hidráulica e de resistência para corpos de prova com 5%, 7% e 9% de cal, com peso específico aparente seco de 16,0 kN/m³, 17,2 kN/m³ e 18,5 kN/m³, curados por 28 dias. Foi observado que a porosidade da mistura é um parâmetro de influência sobre a condutividade hidráulica medida. Ambas as resistências, à compressão simples e à tração por compressão diametral, aumentaram potencialmente com a redução da porosidade. Verificou-se uma única relação qt/qu igual a 0,13, sendo independente da relação vazios/cal. A metodologia proposta por Consoli (2014), mostrou-se adequada para a determinação dos parâmetros de resistência (intercepto coesivo e ângulo de atrito) para uma relação [n/(Liv)0,12=35. A relação vazios/cal, definida pela razão entre a porosidade da mistura compactada e o teor volumétrico de cal, ajustado por uma potência, demonstrou ser um parâmetro eficaz na estimativa do comportamento hidráulico e mecânico do solo-cal estudado. / The approach of the hydraulic behavior associated with the mechanical behavior of a material is of utmost importance. The technique of treating soil with lime has been used successfully in geotechnical engineering, improving the characteristics of the soil, which is a highly variable and complex material, and does not always meet the required needs. In that sense, this study has for objective to quantify the influence of amounts of lime and of the porosity on the hydraulic and mechanical behavior a sandy silt soil stabilized with lime, checking the suitability of the use de voids/ lime ratio in estimating of the hydraulic conductivity, unconfined compression strength (qu) and tensile strength (qt). For that, number of hydraulic conductivity tests and strength tests were carried out for soil-hydrated lime blends, with lime contents of 5%, 7% e 9%, dry unit weight of 16,0 kN/m³, 17,2 kN/m³ and 18,5 kN/m³, 28 days as curing time. It was observed that the porosity of the mixture is a parameter influence on the hydraulic conductivity measured. The results show the unconfined compressive and the splitting tensile strength increasing potentially with the reduction of its porosity. It was found a single qt/qu relationship equal to 0,13, being independent of the porosity/lime ratio. The methodology suggested by Consoli (2014), was adequate for determining of Mohr-Coulomb failure parameters (effective cohesion intercept effective angle of shearing resistance) for a ratio [n/(Liv)0,12=35. The voids/lime ratio, defined as the ratio between the porosity of the compacted mixture and volumetric lime content, adjusted by a power, demonstrated to be the most appropriate parameter to assess the hydraulic and mechanical behavior of the soil-lime mixture studied.

Esta tese foi desenvolvida para avaliar os impactos das mudanças climáticas ao longo deste século sobre as demandas futuras de água para irrigação da soja na região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul sob uma abordagem estocástica e considerando diferentes projeções de modelos climáticos para o período de 2011-2100, comparando com o passado (1961-1990). As demandas de água para irrigação da soja (IWR) foram obtidas por simulação com o modelo SWAP. O aspecto estocástico desta avaliação foi conduzido pela incorporação da variabilidade espacial da condutividade hidráulica do solo (Ksat) e dos parâmetros da curva de retenção de água no solo (CR). Inicialmente, foi realizada uma análise estocástica destes atributos físico-hidráulicos na bacia do Arroio Donato (1,1 Km2), a qual serviu de área representativa dos solos e do uso do solo da região Noroeste. Foi empregada a técnica de simulação sequencial Gaussiana (SSG) para geração de 100 campos aleatórios de cada variável. Os resultados revelaram maiores incertezas para Ksat e o parâmetro α da CR e permitiu identificar que a grande heterogeneidade espacial e temporal das variáveis analisadas pode estar associada a fatores tais como clima, manejo e cobertura do solo, erros de amostragem, adensamento da malha amostral e também ao grau de compactação do solo. Em seguida foi feita uma investigação para detectar mudanças nos padrões de temperatura (T) e precipitação (P) na região Noroeste do RS (~65.000 Km2) pelo uso de diferentes modelos climáticos de circulação geral e regional (MCGs e MCRs, respectivamente). Sete distintas localizações na região foram consideradas, para as quais há dez diferentes projeções climáticas destes modelos. Adicionalmente, também foram investigadas a frequência e a intensidade de eventos de precipitação extrema utilizando-se de índices de eventos extremos. As projeções indicam um aumento na média anual de temperatura de quase 3ºC até o final do século, bem como um aumento na precipitação anual. Também foi realizada uma análise sazonal de T e P, a qual demonstrou que os maiores aumentos de temperatura são projetados para o inverno e início da primavera e, portanto, não coincidem com os meses de verão da principal cultura da região (soja). De posse das informações anteriores, o modelo SWAP foi utilizado para estimar as demandas de água para irrigação da soja (IWR), sem considerar perdas devido à eficiência de qualquer método de irrigação. Foram feitos também testes de hipóteses sobre as séries de IWR simuladas e os resultados suportam a premissa de que IWR a curto prazo (2025s) não será estatisticamente diferente do período base (1961-1990). Por outro lado, as IWR em 2055s e 2085s rejeitam esta hipótese. Por fim, avaliou-se a influência da distribuição espacial da condutividade hidráulica saturada (Ksat) e dos parâmetros do modelo da curva de retenção de água no solo (α, n e sat) sobre as demandas futuras de água para a irrigação da soja (IWR), segundo uma abordagem estocástica. Os valores simulados pelo método geoestatístico de simulação sequencial Gaussiana foram utilizados como dados de entrada no modelo SWAP. Como dados meteorológicos foram consideradas apenas as projeções do modelo climático regional ETA 20 e ETA 40 CTRL, bem como as projeções dadas pelo modelo climático global HADCM3 nas sete localizações na região. As estimativas obtidas pelo método estocástico foram então comparadas com as estimativas de IWR obtidas sem considerar a variabilidade espacial dos atributos físico-hidráulicos do solo. Os resultados indicaram grande variabilidade espacial dos valores de IWR. Além disso, observou-se que as menores incertezas de IWR foram obtidas a partir das projeções do modelo de melhor resolução espacial, o ETA 20, enquanto o modelo HADCM3 revelou as maiores diferenças entre os períodos futuros e o período atual (base). Os resultados também demonstraram que a maior incerteza é devido aos modelos climáticos, pois a abordagem estocástica praticamente não agregou incerteza aos valores de IWR simulados anteriormente. Por fim, as séries de IWR obtidas pela abordagem determinística e estocástica foram comparadas pelo teste de hipóteses de Kolmogorov-Smirnov, o qual comprovou que as séries só não diferem a curto prazo (2025s) e que, portanto, a variabilidade espacial do solo não pode ser negligenciada nas estimativas desta variável. / This Thesis has been developed to assess the impacts of climate change throughout this century on future water demands for soybean irrigation in the Northwest region of Rio Grande do Sul under a stochastic approach and considering different projections of climate models for the period 2011-2100, compared to the past (1961-1990). The water demands for irrigation (IWR) were obtained by simulation with the SWAP model. The stochastic aspect of this evaluation was conducted by incorporating the spatial variability of the saturated hydraulic conductivity (Ksat) and the parameters of the soil water retention curve (CR). Initially, a stochastic analysis of soil physical-hydraulic attributes (Ksat and CR parameters) in the Donato basin (1,1 Km2) was carried out. This basin served as a representative area of soils and land uses of the Northwest region. The Sequential Gaussian Simulation (SSG) technique was used to generate 100 random fields of each variable. The results revealed greater uncertainty for Ksat and for α parameter of the CR and identified that the large spatial and temporal heterogeneity of the variables may be associated with factors such as climate, management and land cover, sampling error, spatial density of the sampling grid and also the degree of soil compaction. After, an investigation was made to detect changes in temperature (T) and precipitation (P) patterns in the Northwest region of RS (~65.000 Km2) by using different global and regional circulation models (GCM and RCM, respectively). Seven distinct locations in the region were considered, for which there are ten different climate projections of these models. Additionally, it was also investigated the frequency and intensity of extreme rainfall events using extreme event indices. Projections indicate an increase in average annual temperature of almost 3 °C by the end of this century, as well as an increase in annual precipitation. It was also performed a seasonal analysis of T and P, which showed that the largest temperature increases are projected for the winter and early spring and, therefore, do not coincide with the summer months the main crop in the region (soy). Making use of the above information, the SWAP model was applied to estimate the water demand for soybean irrigation (IWR), excluding losses due to the efficiency of any method of irrigation. A hypothesis test for the simulated IWR series and the results supports the premise that in short-term IWR (2025s) is not statistically different from base period (1961-1990). On the other hand, IWR in 2055s and 2085s reject this hypothesis. Finally, the influence of the spatial distribution of the saturated hydraulic conductivity (Ksat) and the parameters of the soil water retention curve (α, sat and n) on IWR was evaluated, according to a stochastic approach. The simulated values form the geostatistical method of Sequential Gaussian Simulation (SGS) were used as input data in the SWAP model. Input data of meteorological information were provided by the projections of regional climate model ETA 20 and ETA 40 CTRL, as well as the projections given by global climate model HADCM3 for the seven locations in the region. Estimates obtained by the stochastic method were then compared with the IWR estimates obtained without considering the spatial variability of physical and hydraulic soil properties. The results indicated large spatial variability of IWR values. Furthermore, it was observed that the smallest uncertainties of IWR were obtained from the projections with better spatial resolution, the ETA 20 model, while the HADCM3 model revealed the highest differences between future periods and the current period (baseline). The results also showed that the greatest uncertainties are probably due to climate models, since the stochastic approach did not add uncertainties to the IWR values simulated previously. Finally, the series of IWR obtained by stochastic and deterministic approaches were compared by the hypothesis test of Kolmogorov-Smirnov, which proved that only the series in the short term (2025s) differ, and, therefore, the soil spatial variability may not be neglected when estimating this variable.

Esta tese apresenta um estudo sobre a resistência ao cisalhamento e a condutividade hidráulica de dois solos coluvionares não saturados situados na divisa dos estados do Rio Grande do Sul e Santa Catarina, em um dos trechos do Gasoduto Bolívia-Brasil. Esses solos são constituídos por sedimentos oriundos da Formação Serra Geral (basalto – Solo RO) e da Formação Botucatu (arenito – Solo AV). O trabalho de pesquisa realizado com esses solos tem seu enfoque dividido em duas partes principais: (1) obtenção direta da resistência ao cisalhamento e da função condutividade hidráulica em diferentes níveis de sucção, e (2) previsão indireta dessas propriedades a partir da determinação da curva característica do solo e de parâmetros geotécnicos saturados. As curvas características dos solos AV e RO, nas condições indeformada e remoldada (sem e com secagem prévia do solo), foram obtidas pelo uso combinado do método do papel filtro e da placa de sucção. Para as condições indeformada e remoldada sem secagem prévia, essas curvas exibiram um formato bimodal. A dessaturação é controlada pelos macroporos, para baixas sucções, e pelos microporos, para altas sucções. Para valores de sucção intermediários, praticamente não ocorre remoção de água do solo, devido, provavelmente, à ausência de poros com tamanho intermediário. Já as curvas características das amostras remoldadas com secagem prévia do solo tendem a apresentar um formato mais próximo do unimodal. A influência do índice de vazios inicial e da história de umedecimento e secagem no formato da curva é também discutida. A resistência ao cisalhamento dos solos estudados foi determinada em laboratório através de ensaios de cisalhamento direto convencionais e com sucção controlada. Os resultados, obtidos para amostras indeformadas e remoldadas sem secagem prévia, permitiram a determinação dos parâmetros de resistência ao cisalhamento c’, f’ e fb. Para determinação direta da função condutividade hidráulica do Solo AV foi construído um permeâmetro triaxial com controle de sucção, baseado no modelo apresentado por Huang et al. (1998). Esse equipamento foi utilizado para determinação da função condutividade hidráulica do Solo AV não saturado, em diferentes trajetórias de umedecimento e secagem. Os resultados evidenciaram que as amostras do Solo AV nas três condições de moldagem - indeformada, remoldada sem e com secagem - tendem a reproduzir o comportamento de dessaturação exibido nas curvas características. A função condutividade hidráulica apresenta inicialmente um decréscimo para sucções até 50 kPa, seguido por um valor praticamente constante, para sucções até 90 kPa. / This thesis presents a study about the shear strength and hydraulic conductivity of two unsaturated colluvium soils situated at the border between the states of Rio Grande do Sul and Santa Catarina, along one of the Bolivia-Brazil Gas Pipeline stretches. These soils are constituted by sediments originated from Serra Geral (basalt – sample RO) and Botucatu formations (sandstone - sample AV). The research performed with these soils had its focus divided in two main parts: (1) direct measurements of shear strength and hydraulic conductivity function at different suction levels and (2) indirect prediction of these properties from the soil-water characteristic curves and saturated geotechnical parameters. The soilwater characteristic curves of AV and RO Samples, in undisturbed and remolded conditions (without and with previous drying), were determined with both the filter-paper technique and the suction-plate technique. The undisturbed and remolded samples without previous drying showed a bimodal shape. The desaturation is controlled by the macropores for low suction values and by the micropores, for higher values. For intermediary suctions values, practically no removal of water from the sample occurs, possibly due to the lack of intermediate pore sizes. The remolded samples with previous drying tend to present a shape close to unimodal. The influences of void ratio and the drying and wetting history in the shape of the soil-water characteristic curve are also discussed. The shear strength of the studied soils was determined with conventional and suction-controlled direct shear tests. The results obtained for undisturbed and remolded samples without previous drying allowed the determination of shear strength parameters c’, f’ e fb. For the direct measurement of hydraulic conductivity function, a flexible-wall permeameter was built, based on the model presented by Huang et al. (1998). This equipment was used for determining the unsaturated hydraulic conductivity function of Sample AV in different drying and wetting paths. The results showed that Samples AV in the three molding conditions - undisturbed and remolded without and with previous drying – reproduced the desaturation behavior showed by the soil-water characteristic curves. The hydraulic conductivity function presents initially a decrease for suctions up to 50 kPa, followed by a practically constant value, for suctions up to 90 kPa.