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A demanda alimentar vem aumentando de acordo com o crescimento populacional e com isso há uma necessidade de que as práticas agrícolas tornem-se cada vez mais intensas e tecnificadas, mediante o incremento, entre outros, da utilização de insumos químicos. Porém, uma vez aplicados de maneira desorganizada, sem a devida preocupação com os possíveis impactos aos recursos naturais, tais produtos podem vir a provocar danos ao solo, contaminação de águas subterrâneas (mediante sua lixiviação) e em alguns casos, podem ser responsáveis pelo aumento da salinidade em alguns solos da região do semiárido do nordeste brasileiro. Nesse sentido, devido ao fato de envolverem processos físicos na natureza, o estudo da dinâmica desses produtos químicos têm motivado diversos pesquisadores a aplicarem ferramentas matemáticas (modelos matemáticos) na área de engenharia de água e solo, buscando entender a correlação entre a dinâmica da água e o movimento de solutos no perfil do solo. Portanto, a presente pesquisa tem como objetivo a aplicação do modelo matemático HYDRUS-1D para a simulação do movimento da água e do íon potássio, em condições de laboratório, utilizando-se colunas preenchidas com dois tipos de material de solos salinos e não saturados: Argissolo Amarelo (S1) e Latossolo Vermelho Amarelo (S2). Além disso, buscou-se também avaliar tanto o desempenho do referido modelo, em condições salinas, quanto proceder a uma análise de sensibilidade. Para alcançar tais objetivos, foram conduzidas as seguintes etapas: 1) elaboração de curvas de distribuição de efluentes (Breakthrough Curves - BTC) para obtenção dos parâmetros de transporte do íon potássio, com a aplicação de soluções de 1000 ppm, 2000 ppm e 3000 ppm de concentração de potássio, nos dois tipos de solos salinos, 2) Aplicação dessas soluções de potássio na coluna preenchida com o mesmo material de solo salino não saturado, 3) Simulação dos perfis de água e potássio para os diferentes materiais de solo salino pelo modelo HYDRUS-1D e 4) Avaliação de desempenho e análise de sensibilidade do modelo HYDRUS-1D. A avaliação de desempenho foi feita levando-se em conta os seguintes índices estatísticos: erro máximo, erro absoluto médio, raiz quadrada do erro médio normalizado, coeficiente de massa residual, coeficiente de determinação, eficiência e índice de concordância de Willmott e a análise de sensibilidade foi feita mediante a determinação do erro padrão, por meio de variações positivas (+ 10%, + 20%, + 30%, + 40%, + 50%) e negativas (- 10%, - 20%, - 10%, - 40%, - 50%), dos valores de: umidade volumétrica do solo saturado, condutividade hidráulica e os parâmetros n e ? do modelo de van Genuchten (1980). Diante dos resultados obtidos, pôde-se perceber que os procedimentos experimentais (BTC\'s) para a estimativa dos parâmetros de transporte do íon potássio em condições de solo salino, foram suficientes para descrever a movimentação do íon potássio no solo, gerando informações de entrada precisas para os modelos de simulação. Em termos do modelo HYDRUS-1D, observou-se que o deslocamento do íon potássio acompanhou a frente de molhamento e que o modelo foi eficiente nas simulações de deslocamento do íon potássio e da água para ambos os solos, em condições salinas. A análise de sensibilidade evidenciou que o modelo apresentou-se sensível, às variações negativas dos dados de entrada: umidade volumétrica do solo saturado, condutividade hidráulica do solo saturado e parâmetros \"n\" e \"?\" do modelo de van Genuchten (1980). / The increased demand for food due to population growth requires that agricultural practices become increasingly intensive and very technical, including the increased use of agricultural chemicals (fertilizers). If improperly applied without considering possible impacts on natural resources, agricultural chemicals may lead to soil and groundwater contamination through their leaching from the soil root zone. They may be responsible also for increased salinity in some soils of semiarid regions in northeastern Brazil. Since many transient physical and chemical processes affect their transport in the subsurface, mathematical models have become popular tools in soil and water engineering and management in order to understand the correlation between water dynamics and solute movement in soils. Thus, this research aimed at using the HYDRUS-1D software package to simulate water and potassium movement, under laboratory conditions, in unsaturated saline soil columns filled with two soil types: an Ultisol (S1) and an Oxisol (S2). Comparisons were made with experimental data while also a sensitivity analysis was carried out to evaluate the effect of various parameters on solute transport under saline conditions. For this purpose the following studies were performed: 1) Measurement of solute breakthrough curves (BTCs) to estimate the transport parameters of the potassium ion by applying potassium solutions of 1,000 ppm, 2,000 ppm and 3,000 ppm to both soil types, 2) Application of similar potassium solutions to columns containing the same saline unsaturated soils, 3) Simulation of water and potassium distributions for different saline soil materials using HYDRUS-1D, and 4) Performance evaluation and sensitivity analyses of the HYDRUS-1D numerical model. The performance evaluation was conducted using the following statistical indices: maximum error, mean absolute error, normalized root mean square error, coefficient of residual mass, coefficient of determination, efficiency and Willmott\'s concordance index. The sensitivity analyses considered standard deviations resulting from positive and negative changes (+ 10% + 20% + 30% + 40% + 50%) (-10%, -20%, -10%, -40%, -50%) in the values of the saturated volumetric soil moisture content, the saturated hydraulic conductivity, and the parameters n and ? of van Genuchten\'s (1980) model for the unsaturated soil hydraulic functions. Results indicate that the experimental procedures (BTCs) for estimating the transport parameters of potassium for saline soil conditions were sufficient to describe potassium ion transport in the soils by generating the required input information for the simulation models. Relative to HYDRUS-1D model, the displacement of potassium was found to follow closely the wetting front, with the model providing a very efficient means for simulating the movement of both water and potassium in the two soils during saline conditions. The sensitivity analysis showed that the model was relatively sensitive to negative variations of the input data, notably the saturated water content, the saturated hydraulic conductivity, and the n and ? soil hydraulic parameters.

A demanda alimentar vem aumentando de acordo com o crescimento populacional e com isso há uma necessidade de que as práticas agrícolas tornem-se cada vez mais intensas e tecnificadas, mediante o incremento, entre outros, da utilização de insumos químicos. Porém, uma vez aplicados de maneira desorganizada, sem a devida preocupação com os possíveis impactos aos recursos naturais, tais produtos podem vir a provocar danos ao solo, contaminação de águas subterrâneas (mediante sua lixiviação) e em alguns casos, podem ser responsáveis pelo aumento da salinidade em alguns solos da região do semiárido do nordeste brasileiro. Nesse sentido, devido ao fato de envolverem processos físicos na natureza, o estudo da dinâmica desses produtos químicos têm motivado diversos pesquisadores a aplicarem ferramentas matemáticas (modelos matemáticos) na área de engenharia de água e solo, buscando entender a correlação entre a dinâmica da água e o movimento de solutos no perfil do solo. Portanto, a presente pesquisa tem como objetivo a aplicação do modelo matemático HYDRUS-1D para a simulação do movimento da água e do íon potássio, em condições de laboratório, utilizando-se colunas preenchidas com dois tipos de material de solos salinos e não saturados: Argissolo Amarelo (S1) e Latossolo Vermelho Amarelo (S2). Além disso, buscou-se também avaliar tanto o desempenho do referido modelo, em condições salinas, quanto proceder a uma análise de sensibilidade. Para alcançar tais objetivos, foram conduzidas as seguintes etapas: 1) elaboração de curvas de distribuição de efluentes (Breakthrough Curves - BTC) para obtenção dos parâmetros de transporte do íon potássio, com a aplicação de soluções de 1000 ppm, 2000 ppm e 3000 ppm de concentração de potássio, nos dois tipos de solos salinos, 2) Aplicação dessas soluções de potássio na coluna preenchida com o mesmo material de solo salino não saturado, 3) Simulação dos perfis de água e potássio para os diferentes materiais de solo salino pelo modelo HYDRUS-1D e 4) Avaliação de desempenho e análise de sensibilidade do modelo HYDRUS-1D. A avaliação de desempenho foi feita levando-se em conta os seguintes índices estatísticos: erro máximo, erro absoluto médio, raiz quadrada do erro médio normalizado, coeficiente de massa residual, coeficiente de determinação, eficiência e índice de concordância de Willmott e a análise de sensibilidade foi feita mediante a determinação do erro padrão, por meio de variações positivas (+ 10%, + 20%, + 30%, + 40%, + 50%) e negativas (- 10%, - 20%, - 10%, - 40%, - 50%), dos valores de: umidade volumétrica do solo saturado, condutividade hidráulica e os parâmetros n e ? do modelo de van Genuchten (1980). Diante dos resultados obtidos, pôde-se perceber que os procedimentos experimentais (BTC\'s) para a estimativa dos parâmetros de transporte do íon potássio em condições de solo salino, foram suficientes para descrever a movimentação do íon potássio no solo, gerando informações de entrada precisas para os modelos de simulação. Em termos do modelo HYDRUS-1D, observou-se que o deslocamento do íon potássio acompanhou a frente de molhamento e que o modelo foi eficiente nas simulações de deslocamento do íon potássio e da água para ambos os solos, em condições salinas. A análise de sensibilidade evidenciou que o modelo apresentou-se sensível, às variações negativas dos dados de entrada: umidade volumétrica do solo saturado, condutividade hidráulica do solo saturado e parâmetros \"n\" e \"?\" do modelo de van Genuchten (1980). / The increased demand for food due to population growth requires that agricultural practices become increasingly intensive and very technical, including the increased use of agricultural chemicals (fertilizers). If improperly applied without considering possible impacts on natural resources, agricultural chemicals may lead to soil and groundwater contamination through their leaching from the soil root zone. They may be responsible also for increased salinity in some soils of semiarid regions in northeastern Brazil. Since many transient physical and chemical processes affect their transport in the subsurface, mathematical models have become popular tools in soil and water engineering and management in order to understand the correlation between water dynamics and solute movement in soils. Thus, this research aimed at using the HYDRUS-1D software package to simulate water and potassium movement, under laboratory conditions, in unsaturated saline soil columns filled with two soil types: an Ultisol (S1) and an Oxisol (S2). Comparisons were made with experimental data while also a sensitivity analysis was carried out to evaluate the effect of various parameters on solute transport under saline conditions. For this purpose the following studies were performed: 1) Measurement of solute breakthrough curves (BTCs) to estimate the transport parameters of the potassium ion by applying potassium solutions of 1,000 ppm, 2,000 ppm and 3,000 ppm to both soil types, 2) Application of similar potassium solutions to columns containing the same saline unsaturated soils, 3) Simulation of water and potassium distributions for different saline soil materials using HYDRUS-1D, and 4) Performance evaluation and sensitivity analyses of the HYDRUS-1D numerical model. The performance evaluation was conducted using the following statistical indices: maximum error, mean absolute error, normalized root mean square error, coefficient of residual mass, coefficient of determination, efficiency and Willmott\'s concordance index. The sensitivity analyses considered standard deviations resulting from positive and negative changes (+ 10% + 20% + 30% + 40% + 50%) (-10%, -20%, -10%, -40%, -50%) in the values of the saturated volumetric soil moisture content, the saturated hydraulic conductivity, and the parameters n and ? of van Genuchten\'s (1980) model for the unsaturated soil hydraulic functions. Results indicate that the experimental procedures (BTCs) for estimating the transport parameters of potassium for saline soil conditions were sufficient to describe potassium ion transport in the soils by generating the required input information for the simulation models. Relative to HYDRUS-1D model, the displacement of potassium was found to follow closely the wetting front, with the model providing a very efficient means for simulating the movement of both water and potassium in the two soils during saline conditions. The sensitivity analysis showed that the model was relatively sensitive to negative variations of the input data, notably the saturated water content, the saturated hydraulic conductivity, and the n and ? soil hydraulic parameters.

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Made available in DSpace on 2016-08-31T13:24:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JeovanizelioFG_DISSERT.pdf: 2944061 bytes, checksum: b719d6cdb79773d0a7ede20c0370bab2 (MD5) Previous issue date: 2009-08-28 / The knowledge of the characteristics and dimensions of wetted bulb is substantially important in the measured of the drip irrigation. Due to the complexity of the physical phenomena involved in the infiltration and redistribution process of water in the soil, develop a mathematical model that simulates the flow of water in the soil is not a very simple task. The objective of this work was developed a mathematical model semi-analytic for predicting dimensions of wetted bulb that it depends on parameters of easy obtaining in the field, just as, the superficial diameter of the wetted bulb. The model allows the simulation of the format and dimensions of the wetted bulb for three different forms: when the diameter of the bulb is given in two depths of easy obtaining in the field, that is, in the surface of the soil and in the depth of 10 cm; starting from the superficial diameter and standards existent for the maximum depth in agreement with the texture of the soil; starting from the surfaces of answers. The mathematical model was obtained by numeric simulation of the equations that govern the flow of water in the soil, originating like this, semi-analytic solution for the formation of the wetted bulb. The model was validate, starting from field data of a soil with medium texture after compared with the simulate data. The accomplished comparisons demonstrate that the proposed model predicting the dimensions of the wetted bulb satisfactorily and it can be used as auxiliary tool in the measurement of the drip irrigation. / O conhecimento das características do bulbo molhado é substancialmente importante para o dimensionamento da irrigação por gotejamento. Devido à complexidade dos fenômenos físicos envolvidos no processo de infiltração e redistribuição de água no solo, desenvolver um modelo matemático que simule o fluxo de água no solo é uma tarefa não muito simples. O objetivo desse trabalho é desenvolver um modelo matemático semi-analítico para estimar as dimensões do bulbo molhado que depende de parâmetros de fácil obtenção no campo, tal como o diâmetro superficial do bulbo molhado. O modelo permite a simulação do formato e as dimensões do bulbo molhado por três formas diferentes: quando é dado o diâmetro do bulbo em duas profundidades de fácil obtenção no campo, isto é, na superfície do solo e na profundidade de 10 cm; a partir do diâmetro superficial e padrões existentes para a profundidade máxima de acordo com a textura do solo; a partir das superfícies de respostas. O modelo matemático foi obtido por simulação numérica das equações que governam o fluxo de água no solo, originando assim, solução semi-analítica para a formação do bulbo molhado. O modelo foi validado, a partir de dados de campo de um solo com textura média e, em seguida comparados com os dados simulados. As comparações realizadas demonstram que o modelo proposto estima satisfatoriamente as dimensões do bulbo molhado e pode ser utilizado como ferramenta auxiliar no dimensionamento da irrigação por gotejamento.

Made available in DSpace on 2016-08-31T13:24:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AndreHFB_DISSERT.pdf: 2463155 bytes, checksum: 1554ed6a6d87b8a8535d92ad7432b8e5 (MD5) Previous issue date: 2012-01-23 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Drip irrigation is one of the most efficient methods for applying water to a crop, capable of delivering water at a rate close to the demand. Many efforts have been required to estimate the amount of water needed by plants. Therefore studying soil water extraction by plants linked to mathematical modeling for behavior prediction, and linked to computational resources to allow complex mathematical procedures to be realized in a short space of time, becomes a powerful and necessary alternative for the understanding and quantification of the involved processes. This work aims to simulate soil water movement under conditions of drip irrigation, including the quantification of soil evaporation and crop transpiration of soil water. The finite volumes method was used to numerically solve the Richards equation for the simulation of soil water movement. Equations from literature were used to estimate transpiration and evaporation, adjusting them for use in finite volumes and modifying them, when necessary, to adapt them to the used model. A software was developed to perform the simulations of soil water movement, formation of a wet bulb and quantification of transpiration and evaporation. Concerning mass conservation, the results of the lesser simulations presented a relative error smaller than 0.001%. The results of the simulations of water losses by evaporation and transpiration were very similar to observed data from a lysimeter experiment, making the model results satisfactory. However, more tests and comparisons with more robust models are suggested. / A irrigação por gotejamento superficial é um dos métodos mais eficientes na aplicação de água por poder fornecer água às plantas numa taxa mais próxima a da demanda hídrica da cultura quando comparado com outros métodos. Tem-se demandado muitos esforços na tentativa de se estimar a quantidade de água necessária às plantas. Dessa forma, o estudo da extração de água do solo pelas plantas aliado à modelagem matemática para a predição de comportamentos, e aos recursos computacionais para a realização de cálculo matemáticos complexos num curto espaço de tempo, se torna uma alternativa poderosa e necessária no entendimento e quantificação dos processos envolvidos. O presente trabalho tem por objetivo simular o movimento da água no solo sob condições de irrigação por gotejamento superficial, incluindo a quantificação da evaporação da água do solo e da transpiração da cultura. Foi utilizado o método dos volumes finitos na resolução numérica da equação de Richards para a simulação do movimento de água no solo. Utilizaram-se equações já desenvolvidas na literatura para abordar a transpiração e a evaporação, adequando-as para utilização em volumes finitos e modificando-as, quando necessário, para adaptá-las ao modelo proposto neste trabalho. Um software foi desenvolvido com a finalidade de se realizar as simulações de movimento de água, formação do bulbo molhado e quantificação da transpiração e da evaporação. Quanto à conservação de massa, os resultados das simulações apresentaram erro relativo menores que 0,001%. Os resultados das simulações das perdas de água por evaporação e transpiração foram bastante similares aos de um experimento realizado com lisímetro, tornando os resultados do modelo satisfatórios. Porém, sugere-se que sejam efetuados mais testes e comparações com modelos mais robustos.