A modelagem da dinâmica de solutos no solo tem se mostrado uma ferramenta essencial, pois permite simular cenários e prever impactos ao meio ambiente associados ao manejo inadequado de fertilizantes agrícolas. Na zona radicular das culturas a parametrização do transporte de solutos, bem como a parametrização física do solo, são de difícil determinação tornando a sua modelagem onerosa e imprecisa. Portanto, a presente pesquisa teve como objetivo avaliar a performance do modelo SWAP (Soil, Water, Atmosphere and Plant), em simular a extração da solução do solo pela cultura do milho, em ambiente protegido. O ambiente de estudo ficou restrito à rizosfera da cultura do milho ao longo de seu ciclo de desenvolvimento, mediante a aplicação de uma solução de nitrato de potássio via água de irrigação. Para isso, conduziu-se um experimento em ambiente protegido, cujo cultivo do milho foi feito em 18 lisímetros de drenagem de 500L com plantio de duas covas por lisímetro (plantio em 22/11/2014 e colheita em 22/02/2015). Os valores de umidade volumétrica do solo e de condutividade elétrica da solução do solo foram registrados pela TDR (Time Domain Reflectometry), sendo monitorados em 4 profundidades ao longo da secção transversal das raízes (5, 15, 25 e 35 cm). Também foram monitoradas variáveis agrometeorológicas a fim de se descrever as condições experimentais. Os valores simulados pelo modelo SWAP foram confrontados com os dados observados, registrados pela TDR. A avaliação da performance do modelo foi feita pelo emprego do índice de concordância (Id), índice de avaliação de modelos (E), raíz quadrada média do erro (RMSE) e coeficiente de determinação. Diante dos resultados obtidos, percebeu-se pelo monitoramento agrometeorológico que o ciclo da cultura se deu em condições de anomalias climáticas, isso de certa forma influenciou na extração de água pela cultura. A simulação da extração de água na rizosfera do milho pelo modelo SWAP demonstrou uma satisfatória performance do modelo, o qual apresentou resultado pelos índices de avaliação valores superiores a 0,7 e índices de concordância superiores a 0,9 para todas as camadas monitoradas. O erro quadrático médio foi inferior a 0,009 cm3 cm-3 para todas as camadas, apesar de ter nas camadas mais profundas uma atenuação qualitativa na simulação. O movimento da extração da solução do solo na rizosfera, em especial, nas camadas superficiais apresentaram resultados satisfatórios com índices de avaliação de modelos de 0,659 e 0,596 e índices de concordância de 0,913 e 0,834, respectivamente, para as camadas de 5 e 15 cm de profundidade. Já para as camadas mais profundas não se observou boa aderência do valor simulado aos dados. O coeficiente de extração relativa da solução do solo pelo milho apresentou valor de 16%. Assim, o modelo SWAP mostrou-se satisfatório na simulação do movimento da solução do solo na zona radicular da cultura do milho, mesmo sob condições atmosféricas extremas. Não obstante, seu desempenho foi prejudicado para as simulações em camadas inferiores, onde foi observada uma baixa variação do conteúdo de água e concentração de sais no solo. / The modeling of solute dynamics in soil is an essential tool for simulating scenarios and predicting environment impacts associated with inadequate management of fertilizers. Solute transport parameter and soil physical parameters in the vadose zone are difficult to determine, causing modeling to be expensive and imprecise. This research, therefore, was set up to evaluate the effectiveness of the SWAP (Soil, Water, Atmosphere and Plant) model to simulate soil solution uptake by corn under controlled environmental conditions. The study consisted of applying a potassium nitrate solution in irrigation water to maize rhizosphere throughout its development cycle. The experiment was conducted in a greenhouse, in which maize was planted on 11/22/2014 and harvested on 02/22/2015 in eighteen 500L drainage lysimeters.The soil moisture values and electrical conductivity of soil solution were registered by TDR (Time Domain Reflectometry) at four depths (5, 15, 25 and 35 cm) along the cross-section of the root. Environmental variables were also monitored in order to characterize the experimental conditions. Values simulated by the SWAP model were compared with observed data recorded by the TDR. Model performance was evaluated by the use of the Concordance Index (Id), the Model Assessment Index (E), Root Mean Square Error (RMSE), and Coefficient of Determination. As the experiment was conducted under controlled conditions, the water uptake patterns might not be reflective of uptake patterns under normal weather conditions. The simulation of water extraction in the rhizosphere of corn by SWAP model matched observed values, with indices greater than 0.7 and concordance rates of over 0.9, for all monitored layers. The RMSE was less than 0.009 cm3 cm-3 for all layers. The concentration of extracts of the soil solution in the rhizosphere, in particular in the top two layers, were satisfactorily simulated with model evaluation indexes of 0.659 and 0.596, and concordance rates of 0.913 and 0.834, respectively, for the 5 and 15 cm layers. For the deeper layers, there was little correlation between the observed and simulated value. The relative extraction coefficient of soil solution for corn was 16%. Thus, the SWAP model satisfactorily simulated soil solution movement in the upper layers of the vadose zone of maize, even under extreme weather conditions. However, the model did not perform as well in the lower layers performance was impaired for the simulations in lower layers, which had low variation in the observed water content and salt concentration in the soil.

A modelagem da dinâmica de solutos no solo tem se mostrado uma ferramenta essencial, pois permite simular cenários e prever impactos ao meio ambiente associados ao manejo inadequado de fertilizantes agrícolas. Na zona radicular das culturas a parametrização do transporte de solutos, bem como a parametrização física do solo, são de difícil determinação tornando a sua modelagem onerosa e imprecisa. Portanto, a presente pesquisa teve como objetivo avaliar a performance do modelo SWAP (Soil, Water, Atmosphere and Plant), em simular a extração da solução do solo pela cultura do milho, em ambiente protegido. O ambiente de estudo ficou restrito à rizosfera da cultura do milho ao longo de seu ciclo de desenvolvimento, mediante a aplicação de uma solução de nitrato de potássio via água de irrigação. Para isso, conduziu-se um experimento em ambiente protegido, cujo cultivo do milho foi feito em 18 lisímetros de drenagem de 500L com plantio de duas covas por lisímetro (plantio em 22/11/2014 e colheita em 22/02/2015). Os valores de umidade volumétrica do solo e de condutividade elétrica da solução do solo foram registrados pela TDR (Time Domain Reflectometry), sendo monitorados em 4 profundidades ao longo da secção transversal das raízes (5, 15, 25 e 35 cm). Também foram monitoradas variáveis agrometeorológicas a fim de se descrever as condições experimentais. Os valores simulados pelo modelo SWAP foram confrontados com os dados observados, registrados pela TDR. A avaliação da performance do modelo foi feita pelo emprego do índice de concordância (Id), índice de avaliação de modelos (E), raíz quadrada média do erro (RMSE) e coeficiente de determinação. Diante dos resultados obtidos, percebeu-se pelo monitoramento agrometeorológico que o ciclo da cultura se deu em condições de anomalias climáticas, isso de certa forma influenciou na extração de água pela cultura. A simulação da extração de água na rizosfera do milho pelo modelo SWAP demonstrou uma satisfatória performance do modelo, o qual apresentou resultado pelos índices de avaliação valores superiores a 0,7 e índices de concordância superiores a 0,9 para todas as camadas monitoradas. O erro quadrático médio foi inferior a 0,009 cm3 cm-3 para todas as camadas, apesar de ter nas camadas mais profundas uma atenuação qualitativa na simulação. O movimento da extração da solução do solo na rizosfera, em especial, nas camadas superficiais apresentaram resultados satisfatórios com índices de avaliação de modelos de 0,659 e 0,596 e índices de concordância de 0,913 e 0,834, respectivamente, para as camadas de 5 e 15 cm de profundidade. Já para as camadas mais profundas não se observou boa aderência do valor simulado aos dados. O coeficiente de extração relativa da solução do solo pelo milho apresentou valor de 16%. Assim, o modelo SWAP mostrou-se satisfatório na simulação do movimento da solução do solo na zona radicular da cultura do milho, mesmo sob condições atmosféricas extremas. Não obstante, seu desempenho foi prejudicado para as simulações em camadas inferiores, onde foi observada uma baixa variação do conteúdo de água e concentração de sais no solo. / The modeling of solute dynamics in soil is an essential tool for simulating scenarios and predicting environment impacts associated with inadequate management of fertilizers. Solute transport parameter and soil physical parameters in the vadose zone are difficult to determine, causing modeling to be expensive and imprecise. This research, therefore, was set up to evaluate the effectiveness of the SWAP (Soil, Water, Atmosphere and Plant) model to simulate soil solution uptake by corn under controlled environmental conditions. The study consisted of applying a potassium nitrate solution in irrigation water to maize rhizosphere throughout its development cycle. The experiment was conducted in a greenhouse, in which maize was planted on 11/22/2014 and harvested on 02/22/2015 in eighteen 500L drainage lysimeters.The soil moisture values and electrical conductivity of soil solution were registered by TDR (Time Domain Reflectometry) at four depths (5, 15, 25 and 35 cm) along the cross-section of the root. Environmental variables were also monitored in order to characterize the experimental conditions. Values simulated by the SWAP model were compared with observed data recorded by the TDR. Model performance was evaluated by the use of the Concordance Index (Id), the Model Assessment Index (E), Root Mean Square Error (RMSE), and Coefficient of Determination. As the experiment was conducted under controlled conditions, the water uptake patterns might not be reflective of uptake patterns under normal weather conditions. The simulation of water extraction in the rhizosphere of corn by SWAP model matched observed values, with indices greater than 0.7 and concordance rates of over 0.9, for all monitored layers. The RMSE was less than 0.009 cm3 cm-3 for all layers. The concentration of extracts of the soil solution in the rhizosphere, in particular in the top two layers, were satisfactorily simulated with model evaluation indexes of 0.659 and 0.596, and concordance rates of 0.913 and 0.834, respectively, for the 5 and 15 cm layers. For the deeper layers, there was little correlation between the observed and simulated value. The relative extraction coefficient of soil solution for corn was 16%. Thus, the SWAP model satisfactorily simulated soil solution movement in the upper layers of the vadose zone of maize, even under extreme weather conditions. However, the model did not perform as well in the lower layers performance was impaired for the simulations in lower layers, which had low variation in the observed water content and salt concentration in the soil.

[pt] O derramamento no solo de poluentes imiscíveis com a água (NAPLs) devido a vazamentos de tanques de armazenamento ou dutos e acidentes de transporte é de grande interesse, pois o NAPL e/ou seus constituintes podem migrar através da zona vadosa até atingir o lençol freático e contaminar as fontes de água potável. No Brasil, a maioria dos postos de combustível e terminais de armazenamento possui tanques de etanol, gasolina misturada com etanol e óleo diesel. Um eventual derramamento ou vazamento de hidrocarbonetos derivados de petróleo, conhecidos como LNAPL, misturados com etanol tem um maior potencial de contaminação em função do efeito de co- solvência. A motivação deste trabalho é que muitos estudos têm sido realizados com principal interesse na zona saturada e pouco se sabe sobre o comportamento destes contaminantes na zona não saturada (McDowell e Powers, 2003 e Österreicher et al., 2007). Portanto, foram realizados ensaios de coluna com esferas de vidro com o objetivo de simular os vazamentos de hidrocarbonetos líquidos na superfície e comparar a massa de benzeno que fica retida no meio poroso em um vazamento de gasolina pura ou com etanol. Para avaliar estes ensaios em uma dimensão foi utilizado um programa disponível no sítio da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) chamado Hydrocarbon Spill Screening Model (Weaver et al., 1994) e implementado um modelo para efetuar o balanço de massa e considerar o efeito de co-solvência em função da adição de etanol na gasolina comercial brasileira. Os resultados dos ensaios de laboratório foram comparados com os obtidos através do modelo supracitado e apresentaram uma aproximação satisfatória da previsão do comportamento do contaminante. / [en] The subsurface release of water immiscible pollutants (NAPLs) due to leaks in storage tanks or pipelines and spilling transportation accidents is of great concern, since the NAPL or its constituents may migrate through the vadose zone until reaching the water table and eventually contaminate clean water sources. In Brazil, most of the gas stations store ethanol, pure and gasoline blended ethanol, diesel, among others in tanks. A spill or leak of petroleum hydrocarbons, known as LNAPL (light Nonaqueous phase liquid), combined with ethanol has a major contamination potential associated to cosolvency effects. The motivation of this work is that many studies have been developed with special interest in the saturated zone and little is known about the behavior of these pollutants in the vadose zone (McDowell e Powers, 2003 e Österreicher et al., 2007). Thus, one dimensional column tests were performed in a glass porous media to simulate the spill of hydrocarbons in the subsurface and compare the retained mass of benzene in the porous media after a release of a pure or ethanol blended gasoline. In order to evaluate these 1D tests results, the Hydrocarbon Spill Screening Model - HSSM (Weaver et al., 1994) was used. This program can be found in the Environmental Protection Agency (EPA) website. A model was also implemented to consider the cosolvency effects in function of the ethanol addition in Brazilian`s commercial gasoline. The laboratory`s results were compared with the ones obtained by the model mentioned above and showed a satisfactory approximation for the prediction of the contaminant behavior.

La compréhension des écoulements préférentiels dans la zone non saturée en fond de bassins d’infiltration est une condition préalable à une gestion optimale de ces ouvrages. Le basin d’infiltration étudié repose sur un dépôt fluvioglaciaire hétérogène constitué d’un lithofaciès majoritaire contenant des lentilles de sable et de gravier. Une étude géophysique (radar) a permis de caractériser cette hétérogénéité sédimentologique le long de radar-grammes (sections de quelques mètres de profondeurs et de plusieurs dizaines de mètre de long). Les écoulements ont été modélisés pour toutes ces sections ainsi qu’une section fictive remplie uniquement du lithofaciès majoritaire (témoin) et pour divers évènements pluvieux type incluant une chronique météorologique complète. Les résultats montrent clairement que l'hétérogénéité lithologique a un effet significatif sur l’écoulement avec la mise en place d’écoulements hétérogènes du fait de phénomènes de barrière capillaire au niveau des lentilles de sable et de gravier en non-saturé. Cet effet se répercute sur les chemins de l’eau dans le dépôt et sur les flux en surface (infiltration et ruissellement). Les résultats montrent aussi que cet effet dépend fortement de la section considérée. La variabilité spatiale de l’hétérogénéité lithologique induit donc une variabilité spatiale des écoulements préférentiels. Certains paramètres architecturaux et géométriques relatifs à l’hétérogénéité lithologique ont été proposés pour expliquer l’effet de l’hétérogénéité lithologique sur les écoulements préférentiels, de sorte à proposer une première tentative de modélisation des écoulements à méso-échelle. / Understanding preferential flows in the vadose zone is a prerequisite for a proper management of infiltration basins. The studied infiltration basin lies on a strongly heterogeneous glaciofluvial deposit made of a predominant lithofacies that embeds lenses of sand and gravel. Geophysics (GPR) were used to characterize the lithological heterogeneity along radar-grammes (sections few meters deep and dozens of meters long). Flow was modelled for all these sections and compared to a synthetic section filled only with the predominant lithofacies (control). Numerical results show that, under unsaturated conditions, the lithological heterogeneity has a strong impact on flow with the establishment of preferential flows induced by capillary-barrier effects in the vicinity of lenses of sand and gravel. These effects have also consequences on water fluxes at surface (infiltration and runoff) and depend strongly on the section considered for numerical modelling. It can thus be concluded that the spatial variability of lithological heterogeneity induces a spatial variability of preferential flow. Geometrical and architectural parameters were defined to quantity lithological heterogeneity and link it to preferential flows, with the aim to propose a first step towards modelling flow in the basin at the meso-scale. / O entendimento do fluxo na zona não saturada em formações heterogêneas é um prérequisito para uma gestão adequada de poluentes em bacias de infiltração inseridas nessas formações. Este estudo aborda o efeito da heterogeneidade litológica nos processo de escoamento numa bacia de infiltração com geologia inserida num depósito fluvioglacial. A bacia de infiltração é a Bacia Django Reinhardt, existente em Lyon. Esta bacia foi objeto de vários estudos que demonstraram algumas avaliações do impacto da heterogeneidade do solo. Os objetivos desses trabalhos foram todos baseados apenas no estudo sedimentológico de uma trincheira. Nenhum estudo abordou a potencial variabilidade espacial dos atributos do solo. Neste trabalho, foi modelizado o fluxo na zona vadosa através de três casos: drenagem interna, infiltração de água durante um evento de precipitação pluviométrica constante e solicitação hidrológica a partir de um fluxo variável escoamento superficial. Estes cálculos foram realizados para várias seções, que foram previamente caracterizadas quanto a sua heterogeneidade estrutural usando a técnica não destrutiva do GPR com uma frequência de 200MHz e 100MHz. O comportamento hidráulico dessas seções foi comparado com a de uma seção homogênea. Foi comparada o efeito da resolução da imagem nas estimativas das variáveis de fluxo. Alguns indicadores arquiteturais, geométricos e texturais foram propostos para esclarecer e avaliar a variabilidade espacial do efeito da heterogeneidade do solo sobre o fluxo em condições não saturadas. Os resultados mostram claramente que a heterogeneidade gera impactos nas variáveis de fluxo em condições não saturadas. Os impactos dependem da seção considerada.Os resultados mostram também que: a) a heterogeneidade estrutural do subsolo na meso-escala apresenta um efeito sobre a geração de escoamento preferencial e isso independe do tipo de solicitação aplicada na seção; b) O efeito da heterogeneidade se mostrou independentende das condições de contorno aplicadas na superfície; c) Nos períodos de ocorrência de chuvas intensas quem controla o comportamento das variáveis de fluxo é a intensidade de precipitação. No entanto, nos períodos em que ocorre ausência de precipitação, as variáveis de fluxo são controladas pela heterogeneidade da zona não saturada; d) A utilização de diferentes frequências influencia na estimativa das variáveis de fluxo. Isso é decorrente do impacto na quantificação da heterogeneidade decorrente do efeito da resolução de cada antena; e) Os indicadores não apresentaram relação direta com as variáveis de fluxo estudadas. Isso demonstra que o efeito da heterogeneidade não pode ser explicado por um único fator, mas por um conjunto de fatores.