Drought indices based on monthly precipitation and sometimes temperature are widely used due to their simple calculation with readily available climate data. The portrayal of drought through simple precipitation anomalies or water balances when accounting for temperature may not capture the potentially complex evolution of drought events due to the timing, intensity, and frequency of precipitation events at the daily scale. In this study, we present a new drought index that incorporates a deterministic soil model, HYDRUS-1D, and daily climate data to assess how representative simple drought indices are of soil moisture status in the Southwest. Specifically, we compare our drought index with two widely used drought indices: the Standardized Precipitation Index (SPI) and the Standardized Perception-Evapotranspiration Index (SPEI). Modeled soil moisture output was summed into monthly values for direct comparison between indices. SPI and SPEI proved to be representative of soil moisture status at shallow depths, correlating best at a two-month window. SPI correlated higher with our modeled drought index than SPEI in shallow settings across all study sites. Intense drought events were controlled by the magnitude and frequency of precipitation, with large events creating water surplus and then a slow decay in soil moisture until the next large event. Furthermore, heat map correlations indicate that monitoring drought at depth is dependent upon the previous years monsoon, with the best correlating window growing with distance from monsoon onset. Modeled soil moisture showed volumetric water content increased during monsoon season and remained high through the fall and into the winter months. Higher moisture content increased hydraulic conductivity, priming the soil profile for winter recharge. We believe that the addition of a soil physics based drought index greatly improves drought monitoring conditions for the southwest.

Doctor of Philosophy / Department of Biological & Agricultural Engineering / Aleksey Y. Sheshukov / Isaya Kisekka / The Ogallala aquifer has been important to agriculture in the U.S. High Plains for the past six decades. Groundwater from the aquifer helped turn the fertile soils of the region, large parts of which are semi-arid, into some of the most productive agricultural lands in the U.S. and the world. However, this agricultural success has come at a great cost to the aquifer. Today, as a result of drastic aquifer drawdown, well capacities in some regions of the High Plains are no longer sufficient to sustainably irrigate crops. In response to this growing problem, wide ranging efforts towards conservation of the Ogallala aquifer were formulated and implemented. One of these efforts is to further improve irrigation efficiency. Adaptation of microirrigation, an efficient method of irrigation, to center pivots is regarded by some as the next major step towards expanding the usage of microirrigation technology, and along with-it improving the efficiency in center pivot systems. Four studies were conducted as parts of this dissertation with the application of a four-span center pivot, installed at the Kansas State University’s Southwest Research and Extension Centre (SWREC) in Garden City, Kansas. The studies assessed the technical performance of Mobile Drip Irrigation (MDI) compared to Low Elevation Spray Application (LESA) and Low Energy Precision Application (LEPA). In the first study, the irrigation uniformity, application efficiency and seasonal irrigation uniformity of MDI were evaluated against those of LEPA and LESA. Two sets of MDIs, one with a dripper flow rate of 3.8 L/h, and another of 7.6 L/h, a LESA spray and LEPA bubbler were utilized. Potential differences in season-long irrigation uniformity between the devices were evaluated by analyzing a periodically acquired vegetative index data from aerial imaging. The results showed that MDI and LEPA were more efficient than LESA as indicated by their significantly higher coefficients of uniformity and higher application efficiencies. The second study evaluated soil water redistribution under MDI against those of LEPA and LESA. The effect of irrigation was found to be mostly limited to the top 60 cm of the soil profile for all the evaluated irrigation application technologies. MDI and LEPA showed the highest horizontal variation in water content, and water redistribution pattern of MDI was similar to LEPA. In the third study, the performance of MDI for corn production, in comparison to LESA and LEPA was conducted by comparing grain yield, water productivity, above ground biomass, leaf area index (LAI), and soil water content. In general, crop biophysical measurements under MDI were not significantly different from those under LEPA and LESA, and any marginal benefits of MDI were likely masked by rainfall. Hence, further evaluation of MDI is recommended under stringent water application conditions. The fourth study assessed MDI dripline spacing and length for different soil types.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:42:16Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7111_1.pdf: 1388033 bytes, checksum: 645508c7ef101ae31fed17e866992644 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Faculdade de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco / Na atualidade, metade da população mundial reside nos grandes centros urbanos. Grande parcela desse crescimento tem ocorrido em países em desenvolvimento. No Brasil, já se verifica um contingente de cerca de 80% da população residindo nas áreas urbanas. Neste crescente cenário de urbanização, impactos ambientais e socioeconômicos decorrentes de eventos hidrológicos têm sido recorrentes, afetando grande parte da população. O aumento da impermeabilização reduz as taxas de infiltração, que por sua vez leva à diminuição das taxas de recarga para os aquíferos e à diminuição do escoamento de base. O escoamento superficial é intensificado, aumentando em velocidade e, a frequência e magnitude dos picos de cheia, levando ocasionalmente às enchentes. Nesse contexto, têm sido empregados os telhados verdes em várias partes do mundo principalmente com finalidades estéticas de valorização do espaço urbano e para melhoria do conforto ambiental. Essas áreas verdes podem servir também para detenção do escoamento superficial, minimizando as enchentes urbanas. A simulação da dinâmica da água no solo do telhado verde realizada no programa Hydrus 1-D, a partir das características do sistema do teto verde implantado e dados obtidos em campo, proporcionou a caracterização da dinâmica da água em seu perfil de solo, fornecendo subsídios quanto ao desempenho deste dispositivo no amortecimento do escoamento superficial oriundo dos telhados

O aumento na utilização do sistema de gotejamento em grandes culturas como a cana-de-açúcar, visa minimizar perdas hídricas durante o processo de irrigação, principalmente em períodos de escassez hídrica ocorrida no país. Para atingir tal propósito, o dimensionamento correto desse sistema de irrigação é de fundamental importância, viabilizando o manejo adequado e uso de práticas para aplicação de fertilizantes (solutos), via água de irrigação (fertirrigação). Nesse sentido, são necessárias informações um pouco mais precisas sobre a dinâmica da água e dos solutos no solo, os quais estão relacionados com a distribuição desta solução em torno do emissor (gotejador). Assim sendo, o principal objetivo dessa pesquisa consistiu em avaliar o desempenho do modelo HYDRUS-2D nas simulações numéricas da formação do volume de solo molhado sob irrigação por gotejamento subsuperficial, em diferentes fases de desenvolvimento da cultura de cana-de-açúcar (perfilhamento, crescimento dos colmos e maturação), buscando-se comparar os resultados obtidos pelas simulações do modelo com aqueles obtidos em condições experimentais. Para tal, foram coletados dados de umidade volumétrica do solo e das concentrações de potássio no solo, pela Técnica da Reflectometria no Tempo (TDR), tornando possível a obtenção de dados em tempo real da distribuição da solução, como também, auxiliar na avaliação e performance do modelo matemático HYDRUS-2D. Assim sendo, a referida pesquisa foi dividida em duas etapas: Etapa 1) Coleta de dados das propriedades físico-hídricas do solo e da distribuição da água e do potássio mediante um arranjo experimental, distribuído em dois tratamentos, inteiramente casualizados, sendo três repetições e seis parcelas, dispostos da seguinte maneira, Tratamento 1 (T1): sem cultivo de cana-de-açúcar e com emissor de vazão de 4,0 L h-1, Tratamento 2 (T2): com cultivo de cana-de-açúcar, com emissor de vazão 4,0 L h-1 e na Etapa 2) Foi realizada a simulação numérica da distribuição da solução (água e potássio), pelo modelo HYDRUS-2D nos respectivos estágios de desenvolvimento do cultivo da cana-de-açúcar (citados anteriormente). O desempenho do modelo foi avaliado com base nos seguintes parâmetros estatísticos: Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE) e Erro Absoluto Médio (MAE). A partir dos resultados obtidos nos parâmetros estatísticos, os dados estimados pelo modelo HYDRUS-2D obtiveram uma boa concordância em relação aos dados observados do conteúdo de água e da concentração de potássio presente no perfil de solo. Diante disso, pôde-se concluir que o modelo HYDRUS-2D forneceu uma caracterização aceitável do volume de solo molhado nas diferentes fases de desenvolvimento da cana-de-açúcar e também sem a presença da cultura. / Drip irrigation systems are increasingly being used for such major crops as sugarcane to minimize water losses during irrigation. Saving water is becoming more and more important also in Brazil because of increasing water scarcity in the country. Proper design of a drip irrigation system is fundamental to implementation of optimal water and nutrient management practices, including possible application of fertilizers with the irrigation water (fertigation). This in turn requires reliable information about expected water and solute distributions in the soil profile around the emitters (drippers) during and after irrigation The main objective of this research was to use the HYDRUS-2D software package to estimate wetted soil volumes around the drippers during subsurface drip irrigation at different stages of sugarcane development (tillering, stalk growth, maturation), and to compare numerical results with experimental data. Field data collected for this purpose included soil moisture and potassium concentration distributions using Time Domain Reflectometry (TDR). Results made it possible to follow evolving solute concentration distributions around the drippers in real time, and to evaluate the performance of HYDRUS-2D. The research was divided into two steps: Step 1 involved collection of physical and hydraulic data of the soil, as well as of water and potassium distributions by means of a completely randomized experimental arrangement using two treatments, each with three replicates. Treatments 1 and 2 were for the scenarios without and with sugarcane cultivation, with both treatments having a flow emitter rate of 4.0 L h-1. Step 2 involved HYDRUS-2D simulations of the moisture and potassium concentration distributions around the drippers at different stages of sugarcane development. Model performance was evaluated using the following statistical parameters: Mean Squared Error Root (RMSE) and Mean Absolute Error (MAE). From the results obtained in the statistical parameters, HYDRUS-2D predictions obtained a good agreement with the observed data of water content and the potassium concentration in the soil profile. Therefore, it was concluded that HYDRUS-2D model provided an acceptable characterization of the wetted volume at different stages of development of sugarcane and also without the presence of culture.

Modelos matemáticos são comumente utilizados no estudo da dinâmica da água no solo não-saturado. A principal equação para se quantificar esta dinâmica é a equação diferencial de Richards. Sua solução direta é impossível na maioria dos casos, necessitando de métodos numéricos, dos quais se destaca a utilização das funções de condutividade e de retenção de água de Van Genuchten - Mualem para obtenção da solução numérica. Diante disto, o objetivo deste trabalho foi apresentar um novo método para a obtenção dos parâmetros de Van Genuchten - Mualem, que utiliza a modelagem inversa de dados de teores de água medidos periodicamente e obtidos por experimento de evaporação assistido por atenuação de radiação gama, para a modelagem inversa foi utilizado o software Hydrus-1D. O método foi testado em amostras com diferentes texturas, colhidas em 11 localidades na região de Piracicaba-SP. Dos conjuntos de exemplares analisados, apenas um apresentou resultado insatisfatório, concluindo que o método é válido / Mathematical models are commonly used in studies of water dynamics in unsaturated soil. The main equation to quantify water the dynamics is the differential Richards equation. Its analytical solution is impossible in almost all cases, requiring numerical methods, among which the Van Genuchten - Mualem water conductivity and water retention functions are frequently used to obtain the numerical solution. The objective of this work is to present a new method to obtain the Van Genuchten - Mualem parameters, using the inverse modeling of water content data measured periodically by gamma radiation attenuation in evaporating samples. Hydrus-1D software was used for the inverse modeling. The method was tested in samples with different textures, collected in 11 locations in the region of Piracicaba, state of São Paulo, Brazil. Of the sets of samples analyzed, only one presented an unsatisfactory result, concluding that the method is valid

O aumento na utilização do sistema de gotejamento em grandes culturas como a cana-de-açúcar, visa minimizar perdas hídricas durante o processo de irrigação, principalmente em períodos de escassez hídrica ocorrida no país. Para atingir tal propósito, o dimensionamento correto desse sistema de irrigação é de fundamental importância, viabilizando o manejo adequado e uso de práticas para aplicação de fertilizantes (solutos), via água de irrigação (fertirrigação). Nesse sentido, são necessárias informações um pouco mais precisas sobre a dinâmica da água e dos solutos no solo, os quais estão relacionados com a distribuição desta solução em torno do emissor (gotejador). Assim sendo, o principal objetivo dessa pesquisa consistiu em avaliar o desempenho do modelo HYDRUS-2D nas simulações numéricas da formação do volume de solo molhado sob irrigação por gotejamento subsuperficial, em diferentes fases de desenvolvimento da cultura de cana-de-açúcar (perfilhamento, crescimento dos colmos e maturação), buscando-se comparar os resultados obtidos pelas simulações do modelo com aqueles obtidos em condições experimentais. Para tal, foram coletados dados de umidade volumétrica do solo e das concentrações de potássio no solo, pela Técnica da Reflectometria no Tempo (TDR), tornando possível a obtenção de dados em tempo real da distribuição da solução, como também, auxiliar na avaliação e performance do modelo matemático HYDRUS-2D. Assim sendo, a referida pesquisa foi dividida em duas etapas: Etapa 1) Coleta de dados das propriedades físico-hídricas do solo e da distribuição da água e do potássio mediante um arranjo experimental, distribuído em dois tratamentos, inteiramente casualizados, sendo três repetições e seis parcelas, dispostos da seguinte maneira, Tratamento 1 (T1): sem cultivo de cana-de-açúcar e com emissor de vazão de 4,0 L h-1, Tratamento 2 (T2): com cultivo de cana-de-açúcar, com emissor de vazão 4,0 L h-1 e na Etapa 2) Foi realizada a simulação numérica da distribuição da solução (água e potássio), pelo modelo HYDRUS-2D nos respectivos estágios de desenvolvimento do cultivo da cana-de-açúcar (citados anteriormente). O desempenho do modelo foi avaliado com base nos seguintes parâmetros estatísticos: Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE) e Erro Absoluto Médio (MAE). A partir dos resultados obtidos nos parâmetros estatísticos, os dados estimados pelo modelo HYDRUS-2D obtiveram uma boa concordância em relação aos dados observados do conteúdo de água e da concentração de potássio presente no perfil de solo. Diante disso, pôde-se concluir que o modelo HYDRUS-2D forneceu uma caracterização aceitável do volume de solo molhado nas diferentes fases de desenvolvimento da cana-de-açúcar e também sem a presença da cultura. / Drip irrigation systems are increasingly being used for such major crops as sugarcane to minimize water losses during irrigation. Saving water is becoming more and more important also in Brazil because of increasing water scarcity in the country. Proper design of a drip irrigation system is fundamental to implementation of optimal water and nutrient management practices, including possible application of fertilizers with the irrigation water (fertigation). This in turn requires reliable information about expected water and solute distributions in the soil profile around the emitters (drippers) during and after irrigation The main objective of this research was to use the HYDRUS-2D software package to estimate wetted soil volumes around the drippers during subsurface drip irrigation at different stages of sugarcane development (tillering, stalk growth, maturation), and to compare numerical results with experimental data. Field data collected for this purpose included soil moisture and potassium concentration distributions using Time Domain Reflectometry (TDR). Results made it possible to follow evolving solute concentration distributions around the drippers in real time, and to evaluate the performance of HYDRUS-2D. The research was divided into two steps: Step 1 involved collection of physical and hydraulic data of the soil, as well as of water and potassium distributions by means of a completely randomized experimental arrangement using two treatments, each with three replicates. Treatments 1 and 2 were for the scenarios without and with sugarcane cultivation, with both treatments having a flow emitter rate of 4.0 L h-1. Step 2 involved HYDRUS-2D simulations of the moisture and potassium concentration distributions around the drippers at different stages of sugarcane development. Model performance was evaluated using the following statistical parameters: Mean Squared Error Root (RMSE) and Mean Absolute Error (MAE). From the results obtained in the statistical parameters, HYDRUS-2D predictions obtained a good agreement with the observed data of water content and the potassium concentration in the soil profile. Therefore, it was concluded that HYDRUS-2D model provided an acceptable characterization of the wetted volume at different stages of development of sugarcane and also without the presence of culture.

Modelos matemáticos são comumente utilizados no estudo da dinâmica da água no solo não-saturado. A principal equação para se quantificar esta dinâmica é a equação diferencial de Richards. Sua solução direta é impossível na maioria dos casos, necessitando de métodos numéricos, dos quais se destaca a utilização das funções de condutividade e de retenção de água de Van Genuchten - Mualem para obtenção da solução numérica. Diante disto, o objetivo deste trabalho foi apresentar um novo método para a obtenção dos parâmetros de Van Genuchten - Mualem, que utiliza a modelagem inversa de dados de teores de água medidos periodicamente e obtidos por experimento de evaporação assistido por atenuação de radiação gama, para a modelagem inversa foi utilizado o software Hydrus-1D. O método foi testado em amostras com diferentes texturas, colhidas em 11 localidades na região de Piracicaba-SP. Dos conjuntos de exemplares analisados, apenas um apresentou resultado insatisfatório, concluindo que o método é válido / Mathematical models are commonly used in studies of water dynamics in unsaturated soil. The main equation to quantify water the dynamics is the differential Richards equation. Its analytical solution is impossible in almost all cases, requiring numerical methods, among which the Van Genuchten - Mualem water conductivity and water retention functions are frequently used to obtain the numerical solution. The objective of this work is to present a new method to obtain the Van Genuchten - Mualem parameters, using the inverse modeling of water content data measured periodically by gamma radiation attenuation in evaporating samples. Hydrus-1D software was used for the inverse modeling. The method was tested in samples with different textures, collected in 11 locations in the region of Piracicaba, state of São Paulo, Brazil. Of the sets of samples analyzed, only one presented an unsatisfactory result, concluding that the method is valid

Traditional soil classification methods invoke physical differences based on particle size to group soils into textural classes. Resulting groupings are used to make predictions about soil attributes and processes of interest including hydrologic response. My hypothesis is that more useful classification schemes will be created by starting with response and applying an inverse approach to generate soil groupings. I propose an alternative classification scheme based on these hypotheses, using techniques of cluster analysis. The resulting system has high predictive capacity with simplicity comparable to the U.S. Dept. of Agriculture soil textural triangle or other similar classification diagrams. I conclude that: classification is most appropriate when carried out on process and objective specific bases; there is a physical meaning to cluster-based groupings, which allows for more appropriate segregation of response as compared to textural groupings; using clusters, a small number of samples can be used to characterize the range of response.

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Este trabalho apresenta a caracterização geoambiental de solos de uma área contaminada, localizada no município de Santo André, Estado de São Paulo, Brasil. O objetivo foi determinar parâmetros experimentais para permitir o estudo de alguns aspectos do transporte do pesticida organoclorado Hexaclorociclohexano (HCH). A área de estudo contém células com cerca de 30.000 toneladas de um material contendo HCH em elevadas concentrações. As investigações de campo demonstram que há concentrações de HCH na água subterrânea. Em 2011, foram coletadas amostras deformadas e indeformadas de solo em quatro diferentes pontos superficiais da área contaminada, e posteriormente uma amostra composta da camada de solo de alteração de rocha (SAR), a fim de responder a questionamentos quanto à mobilidade do contaminante na área. A caracterização geoambiental, baseada em ensaios laboratoriais, foi realizada por meio das seguintes análises: análise granulométrica, limites de Atterberg, densidade específica, porosidade, umidade do solo, curva de retenção de água no solo, condutividade hidráulica, ensaio de adsorção, pH, condutividade elétrica, capacidade de troca catiônica (CTC), teor de matéria orgânica e teor de voláteis. O solo superficial da área é heterogêneo e a capacidade de adsorção dos solos analisados foi menor do que o esperado. Esta caracterização subsidiou o estudo de fluxo e transporte do HCH, por meio de simulação numérica, utilizando o programa Hydrus 1D. As simulações tiveram dois objetivos diferentes: no primeiro foi avaliado os resultados da simulação em comparação à situação atual no campo; no segundo foi avaliada a sensibilidade do transporte em função da alteração dos parâmetros obtidos experimentalmente Ks; Kd; s e (Van Genuchten); e dos parâmetros obtidos na literatura. Os resultados permitiram concluir que o modelo Hydrus 1D consegue representar a contaminação do HCH no solo. O parâmetro de degradação na água foi essencial para chegar em ordens de grandeza de concentrações próximas das identificadas em campo. Os parâmetros de degradação, difusividade, dispersividade e condutividade hidráulica são os que mais afetam os resultados finais de concentração do HCH na água subterrânea e, portanto, merecem atenção maior durante as futuras investigações. / This paper presents the geoenvironmental characterization of soils from a contaminated site, located in Santo André, São Paulo State, Brazil. The objective was to determine experimental parameters to allow the study of some aspects of transport of the organochlorine pesticide hexachlorocyclohexane (HCH). The study site contains trenches with about 30,000 tons of a material containing high concentrations of HCH. The site investigations show that there are HCH concentrations in groundwater. In 2011, disturbed and undisturbed soil samples were collected at four different surface points of the contaminated site, and then a sample of soil from rock alteration layer (SAR) was also composed for characterization in order to answer questions concerning the mobility of contaminant in the site. The environmental characterization based on laboratory tests, was performed by the following analyzes: grain size distribution, Atterberg limits, specific gravity, porosity, moisture content, water retention curve, hydraulic conductivity, pH, electrical conductivity, cation exchange capacity (CEC), organic matter content and volatile content. The surface soil of the area is heterogeneous and the adsorption capacity of the soils analyzed were lower than expected. This characterization allowed the study of flow and transport of HCH through numerical simulation using the Hydrus 1D software. The simulations had two different goals, the first was evaluated the simulation results compared to the current situation in the field. In a second step the sensitivity of transport due to the change of the parameters obtained experimentally Ks; Kd; s and (Van Genuchten); and parameters obtained from the literature. The results showed that the Hydrus 1D model simulates HCH contamination in soil. Water degradation parameter was essential to get orders of magnitude similar to those identified in field concentrations. The degradation, diffusivity, hydraulic conductivity and dispersivity parameters are those that most affect the final results of concentration of HCH in groundwater and therefore deserve more attention in future investigations.