O conhecimento da condutividade hidráulica do solo é essencial para qualquer modelagem que envolva o movimento da água no solo. Além de variar com a umidade, a condutividade hidráulica do solo (K) apresenta alta variabilidade espacial, tanto em determinações no campo como no laboratório, podendo ser representada em função da umidade (θ) ou do potencial matricial (ψm). Conforme indica a Lei de Poiseuille, a condutância de poros individuais é altamente sensível ao seu diâmetro. Como a distribuição dos diâmetros de poros de um solo é descrita pela sua curva de retenção e o maior poro que contém água define o potencial matricial, a hipótese do presente trabalho é que, expressando-se K para um θ fixo, sua variabilidade é maior que para um ψm fixo. Para testar tal hipótese, foi conduzido um experimento empregando-se o método do perfil instantâneo sem evaporação (durante 1050 horas) e com evaporação (durante 401 horas) em períodos diferentes, obtendo-se a condutividade hidráulica não saturada em 48 baterias distanciadas de 1 m entre si e dispostas em linha reta em um Latossolo Vermelho-amarelo, dentro do Campus da Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” – ESALQ/USP em Piracicaba/SP. Os valores de potencial matricial foram obtidos por tensiometria em cinco profundidades (de 0,075 a 0,675 m) para cada bateria e transformados em umidade por curvas de retenção determinadas próximas a cada bateria. Os dados foram processados conforme procedimento padrão. O experimento com evaporação permitiu a obtenção nas camadas mais superficiais de valores de condutividade hidráulica em uma faixa de umidade abaixo daquela obtida no experimento sem evaporação. Os valores estimados de K(θ) e de K(ψ) foram submetidos à análise estatística descritiva e, após a verificação da não normalidade dos dados, foram submetidos à transformação logarítmica para a normalização da densidade de distribuição. Com a comprovação da não normalidade dos dados procedeu-se à estimativa do coeficiente de variação do logaritmo da condutividade hidráulica, observando-se menor variabilidade de K(ψ) do que K(θ), na maioria dos casos, sustentando a hipótese desta tese. Na faixa de umidade avaliada, o coeficiente de variação dos valores de condutividade hidráulica aumentou com a umidade e com o potencial matricial. / The knowledge of the soil hydraulic conductivity is essential to modeling soil water movement. Soil hydraulic conductivity (K) varies with water content and has a high spatial variability as well, either in field or in laboratory determinations. It can be represented as a function of water content (θ) or pressure head (ψm). According to Poiseuille´s Law, the conductance of individual pores is strongly dependent on their diameters. Pore size distribution in a soil is described by its water retention curve, and the largest water containing pore defines pressure head. Therefore, the hypothesis of the present study is that if K is expressed at a fixed θ value, its variability is higher than if expressed at a fixed ψm value. With the purpose of testing the hypothesis, an experiment was carried out using the instantaneous profile method without evaporation (for 1050 hours) and with evaporation (for 401 hours) in different periods. The soil hydraulic conductivity was estimated at 48 locations, 1 m distant from each other on a straight line in a Typic Hapludox soil at the ESALQ/USP campus in Piracicaba/SP – Brazil. Pressure heads were obtained through tensiometry in five depths (from 0,075 to 0,675 m) and transformed in water contents by water retention curves determined close to each location. Data were processed by standard routines. The test with evaporation allowed the soil hydraulic conductivity estimation in surface layers at water contents lower than in the test without evaporation. The estimated values for K(θ) and K(ψ) were submitted to a descriptive analysis, and normalized by a log-transformation. As the density distribution was lognormal, the coefficient of variation was estimated to the log-transformed K values, and it was observed that in most cases the K(ψ) variability was less than the K(θ), in agreement with the hypothesis of this study. The coefficient of variation of the K values increased with the water content and the matric potential within the range of water contents evaluated.

Lisímetros de pesagem tem custos de implantação e manutenção elevados e nem sempre produzem resultados satisfatórios devido a impossibilidade de representarem as muitas situações que ocorrem num sistema de produção agrícola. Foi idealizado um sistema mais simplificado de montagem de lisímetro de pesagem para obtenção de perda de água do solo. Tal sistema utiliza apenas uma célula de carga em cada lisímetro, e mis uma célula no sistema de drenagem. Devido a essa possibilita também a medida da evaporação durante o processo da drenagem. O custo médio da instalação de uma bateria de três lisímetros em Piracicaba, SP, foi de aproximadamente US$ 900,00. Foram obtidos valores de massa satisfatórios para períodos diários, horários e a cada trinta minutos. Existe grande correlação entre a massa do lisímetro e a umidade do solo. Houve grande oscilação da evaporação do solo ao longo do dia, maior do que a ETo calculada. Os valores de coeficiente de evaporação, Ke, obtidos se mostraram-se consistentes.Foram identificadas as fases de rápida redução de Ke e a de redução lenta, respectivamente para as faixas de umidade intermediária e seca. Foi possível realizar ajuste estatisticamente significativo de um modelo logarítmico do coeficiente de evaporação (Ke) em função de evapotranspiração de referência acumulada (ETo) ou da evaporação do tanque classe A acumulada(ECA). Os modelos para estimativa de ARM e de Ke em função dos índices de seca ∑EToPM e ∑ECA mostraram-se adequadas para seus propósitos, podendo ser também utilizadas para a estimativa da evaporação do solo nu (Es) considerando-se esta como a variação do ARM da água do solo. / Weighing lysimeters have high installation cost and require frequent maintenance and sometimes they do not produce satisfactory results due to the impossibility to represent all the situations that happen in an agricultural system. A simplified weighing lysimeter was developed to obtain soil water loss. Such a system just uses a load cell per lysimeter and another cell in the drainage system, which makes possible to measure of the evaporation during drainage process. The average cost of installation of a battery of three lysimeters in Piracicaba, SP, was approximately US$ 900. Satisfactory daily mass values were obtained, as well as for hourly and thirty minutes periods. A high correlation between the mass of the lysimeters and soil moisture was observed. The variation of soil evaporation along the day was larger than the variation obtained with calculated ETo. The values of evaporation coefficient, (Ke), were consistent. The phases of fast and slow reduction of Ke were identified respectively for medium and low soil water content. Was possible to adjust a logarithmic model to the relation ship between evaporation accumulated reference evapotranspiration (∑ETo) and accumulated evaporation from class A pan (∑ECA). The models for estimating (ARM) and Ke in function of the drought indexes ∑EToPM and ∑ECA were water storage in the soil appropriate and can be used to estimate evaporation of a bare soil, which is considered as the variation of ARM.

A agricultura moderna sofre grande impacto da mecanização devido ao aumento do tráfego e do peso do maquinário. A cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.) é uma cultura altamente mecanizada e, devido ao tempo de sua permanência no campo, o solo fica muito suscetível à compactação, processo dependente de diversos fatores intrínsecos e extrínsecos deste, podendo ser revertido através de técnicas, como subsolagem ou aração profunda. Porém, tais técnicas geram altos gastos de energia e capital, sendo que alguns manejos, como o controle do tráfego agrícola, contribuem para diminuição da carga exercida sobre o solo e dos custos de produção. Diversos aparelhos foram desenvolvidos para a apuração de atributos do solo diretamente no campo, visando averiguar áreas a serem manejadas por causa da compactação. A penetrometria é uma técnica muito utilizada na verificação de áreas com problemas de compactação, entretanto, existem diversos penetrômetros, que possuem modos de atuação diferenciados. Os objetivos deste estudo foram verificar a eficiência de dois penetrômetros com diferentes modos de introdução da haste metálica no solo (automático e manual) e a correlação dos índices obtidos (resistência à penetração) com outros atributos do solo (teor de água). Os resultados comprovaram que o teor de água no solo altera os resultados de resistência a penetração e a utilização de equações de regressão não linear expressam bem a relação entre estes dois atributos do solo, podendo ser utilizado para correção dos dados antes da comparação de diferentes sistemas de manejo. O ajuste das medições de resistência de acordo com o teor de água no solo diminuiu o intervalo de confiança da média na comparação de diferentes manejos, o que melhora a comparação de atributos que apresentam alta variabilidade, como a resistência do solo a penetração. Os dois métodos de utilização do penetrômetro (Manual e Automático) apresentaram diferenças significativas nas medições, de modo que houve uma tendência das medições manuais superestimarem os valores de resistência. / Modern agriculture has suffered a large impact of mechanization due to increased of traffic and the weight of the machinery. The sugarcane (Saccharum officinarum L.) crop is highly mechanized and, since it is a semi perennial crop, the soil is very susceptible to compaction, a process dependent on a number of intrinsic and extrinsic factors that can be reversed through techniques, such as deep tillage or subsoiling. However, these techniques are expensive, and some crop managements, such as traffic control, contribute to reduction of production costs and the load on the soil. Several devices have been developed for the determination of soil attributes in the field, aiming to determine areas to be managed because of compaction. The penetrometer is a widely used equipment in the verification of areas with compaction problems. However, there are several penetrometers, which have different action mode. The objective of this study was to verify the efficiency of two penetrometers with two modes of introduction of the metal rod into the soil (automatic and manual) and the correlation of obtained data (penetration resistance) with soil water content. Results showed that the soil moisture modify the penetration resistance data and the use of non-linear regression equations express well the relationship between these two soil properties and can be used for correction of the data before comparing different management systems. The modeling of soil resistance measurements with soil moisture decreased confidence interval of the mean in the comparison of different management systems, which improves the comparison of attributes that have high variability, as the soil resistance to penetration. The two penetrometers methods (manual and automatic) showed significant differences in data measurements, showing a tendency for manual measurements overestimate the values of soil resistance.

O manejo da fertirrigação com controle da concentração de íons na solução do solo, apresenta-se como uma alternativa técnica e economicamente viável, sendo necessário a sua calibração para que possa ser efetivamente recomendada. Diante do exposto, este trabalho foi desenvolvido com o objetivo determinar equações de calibração a fim de serem utilizadas no monitoramento da condutividade elétrica (CE) e da concentração de íons na solução do solo em dois tipos de solo, com ênfase principal, diferentes intensidades de vácuo, tempo de aplicação do vácuo após o evento da fertirrigação e tempo após a aplicação do vácuo para realização de coleta da solução do solo. O estudo constou de dois experimentos realizados em condições de ambiente protegido. O delineamento estatístico utilizado foi o inteiramente casualizado (DIC) e tipos de solos foram os mesmos para ambos os experimentos, o primeiro em esquema fatorial 2 x 4 x 4, totalizando 32 tratamentos, com três repetições. Os tratamentos foram compostos por: dois tipos de solo (Franco Arenoso - S1 e Franco Argiloso - S2), quatro intensidades de vácuos aplicadas aos extratores (V1 - 50, V2 - 60, V3 - 70, e V4 - 80 kPa), e quatro níveis de umidade em base peso (100, 72, 61 e 43% no solo S1 e 100, 79, 66 e 60% no solo S2); e o segundo num esquema fatorial 2 x 4 x 3, totalizando 24 tratamentos, com três repetições. Os tratamentos constaram-se de quatro soluções com concentração de 0, 30, 60 e 90% da solução padrão utilizada e três intensidades de vácuos (V1 - 60, V2 - 70, V3 80 kPa). Os resultados obtidos demonstraram que é possível, com auxilio de extratores e transdutores de pressão, monitorar o volume e a concentração iônica da solução extraída com ótima precisão, bem como a variação de tensão em tempo real. O tempo mínimo para o equilíbrio iônico, foi de 30 horas após o evento de fertirrigação para aplicação do vácuo em ambos os solos. O tempo necessário entre a aplicação do vácuo até o momento da coleta da solução, aumentou em função da redução de umidade, bem como com o incremento do vácuo aplicado, a menor faixa de tempo observada foi de 0,37 a 0,67 horas na combinação da máxima umidade em ambos os solos com a maior e a menor intensidade de vácuo, respectivamente. A redução da umidade proporcionou um aumento na concentração iônica e na condutividade elétrica. O incremento do vácuo não afetou a concentração iônica para ambos os solos, exceto para K+, Ca2+, Mg2+ e SO4 2-, que tiveram suas concentrações reduzidas no solo (S1) e o volume coletado aumentou. Os níveis crescentes de concentração aplicada proporcionaram um aumento na concentração iônica e na (CE) da solução obtida, exceto o pH, que foi reduzido no solo (S2), já o incremento do vácuo aplicado não proporcionou efeito significativo para nenhum parâmetro avaliado em ambos os solos no Experimento II. / The fertigation management with ion concentration control in the soil solution its an alternative technique and feasible economic, however its necessary to calibrate it to be effectively recommended. This work had the aim to determine calibrated equations to monitor the electrical conductivity (EC) and the solution ion concentration in soils of two different textures, with primary focus on different vacuum intensity, vacuum application time after the irrigation event and time after the vacuum application for collection of soil solution. The study consisted of two experiments under greenhouse condition. The statistic delineation utilized was the entirely randomized and the soil types were the same for both experiments; the first in the factorial scheme was 2 x 4 x 4, 32 treatments in the all, with three repetition. The treatments were composed of: two soil type ( loamsandy - S1 and loam-clayish- S2), four vacuum intensity applied to extractors (V1 - 50, V2 - 60, V3 - 70, and V4 - 80 kPa) and four levels of water content on weight base ( 100, 72, 61 e 43% in the soil S1 and 100, 79, 66 and 60% in the soil S2 ); the second in the factorial scheme was 2 x 4 x 3, 24 treatments in all, with three repetition. The treatments had four types of solution with concentration of the 0, 30, 60 e 90% in the utilized standard solution and three vacuum intensity (V1 - 60, V2 - 70, V3 80 kPa). The results showed that its possible, to monitor the volume and ionic concentration of extracted solution with high precision and also the tension variation in real time with the help of extractors and pressure to transductors. The minimum time for ionic equilibrium was the 30 hours after the fertigation event to apply the vacuum in both soils. The necessary time between vacuum applications until the moment of collection of solution, increased with the reduction of water content in soil, and also due to increment in the applied vacuum. The smaller time range observed was from the 0.37 to 0.67 hours under the combination of the maximum water content in both soils with the bigger and smaller vacuum intensity, respectively. The water content reduction resulted an increase in the ionic concentration and electrical conductivity. The vacuum increment did not affect ionic concentration in both soils, except for K+, Ca2+, Mg2+ and SO4 2-, which were reduced in the soil S1 and the collected volume increased. The increasing level of the applied concentration provided an increase in the ionic concentration and in the EC of the obtained solution, except for pH, that which reduced in the soil S2; the applied vacuum increment did not affect significantly evaluated parameters in both soils in the second experiment.

O conhecimento da condutividade hidráulica do solo é essencial para qualquer modelagem que envolva o movimento da água no solo. Além de variar com a umidade, a condutividade hidráulica do solo (K) apresenta alta variabilidade espacial, tanto em determinações no campo como no laboratório, podendo ser representada em função da umidade (θ) ou do potencial matricial (ψm). Conforme indica a Lei de Poiseuille, a condutância de poros individuais é altamente sensível ao seu diâmetro. Como a distribuição dos diâmetros de poros de um solo é descrita pela sua curva de retenção e o maior poro que contém água define o potencial matricial, a hipótese do presente trabalho é que, expressando-se K para um θ fixo, sua variabilidade é maior que para um ψm fixo. Para testar tal hipótese, foi conduzido um experimento empregando-se o método do perfil instantâneo sem evaporação (durante 1050 horas) e com evaporação (durante 401 horas) em períodos diferentes, obtendo-se a condutividade hidráulica não saturada em 48 baterias distanciadas de 1 m entre si e dispostas em linha reta em um Latossolo Vermelho-amarelo, dentro do Campus da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" - ESALQ/USP em Piracicaba/SP. Os valores de potencial matricial foram obtidos por tensiometria em cinco profundidades (de 0,075 a 0,675 m) para cada bateria e transformados em umidade por curvas de retenção determinadas próximas a cada bateria. Os dados foram processados conforme procedimento padrão. O experimento com evaporação permitiu a obtenção nas camadas mais superficiais de valores de condutividade hidráulica em uma faixa de umidade abaixo daquela obtida no experimento sem evaporação. Os valores estimados de K(θ) e de K(ψ) foram submetidos à análise estatística descritiva e, após a verificação da não normalidade dos dados, foram submetidos à transformação logarítmica para a normalização da densidade de distribuição. Com a comprovação da não normalidade dos dados procedeu-se à estimativa do coeficiente de variação do logaritmo da condutividade hidráulica, observando-se menor variabilidade de K(ψ) do que K(θ), na maioria dos casos, sustentando a hipótese desta tese. Na faixa de umidade avaliada, o coeficiente de variação dos valores de condutividade hidráulica aumentou com a umidade e com o potencial matricial. / The knowledge of the soil hydraulic conductivity is essential to modeling soil water movement. Soil hydraulic conductivity (K) varies with water content and has a high spatial variability as well, either in field or in laboratory determinations. It can be represented as a function of water content (θ) or pressure head (ψm). According to Poiseuille´s Law, the conductance of individual pores is strongly dependent on their diameters. Pore size distribution in a soil is described by its water retention curve, and the largest water containing pore defines pressure head. Therefore, the hypothesis of the present study is that if K is expressed at a fixed θ value, its variability is higher than if expressed at a fixed ψm value. With the purpose of testing the hypothesis, an experiment was carried out using the instantaneous profile method without evaporation (for 1050 hours) and with evaporation (for 401 hours) in different periods. The soil hydraulic conductivity was estimated at 48 locations, 1 m distant from each other on a straight line in a Typic Hapludox soil at the ESALQ/USP campus in Piracicaba/SP - Brazil. Pressure heads were obtained through tensiometry in five depths (from 0,075 to 0,675 m) and transformed in water contents by water retention curves determined close to each location. Data were processed by standard routines. The test with evaporation allowed the soil hydraulic conductivity estimation in surface layers at water contents lower than in the test without evaporation. The estimated values for K(θ) and K(ψ) were submitted to a descriptive analysis, and normalized by a log-transformation. As the density distribution was lognormal, the coefficient of variation was estimated to the log-transformed K values, and it was observed that in most cases the K(ψ) variability was less than the K(θ), in agreement with the hypothesis of this study. The coefficient of variation of the K values increased with the water content and the matric potential within the range of water contents evaluated.

Lisímetros de pesagem tem custos de implantação e manutenção elevados e nem sempre produzem resultados satisfatórios devido a impossibilidade de representarem as muitas situações que ocorrem num sistema de produção agrícola. Foi idealizado um sistema mais simplificado de montagem de lisímetro de pesagem para obtenção de perda de água do solo. Tal sistema utiliza apenas uma célula de carga em cada lisímetro, e mis uma célula no sistema de drenagem. Devido a essa possibilita também a medida da evaporação durante o processo da drenagem. O custo médio da instalação de uma bateria de três lisímetros em Piracicaba, SP, foi de aproximadamente US$ 900,00. Foram obtidos valores de massa satisfatórios para períodos diários, horários e a cada trinta minutos. Existe grande correlação entre a massa do lisímetro e a umidade do solo. Houve grande oscilação da evaporação do solo ao longo do dia, maior do que a ETo calculada. Os valores de coeficiente de evaporação, Ke, obtidos se mostraram-se consistentes.Foram identificadas as fases de rápida redução de Ke e a de redução lenta, respectivamente para as faixas de umidade intermediária e seca. Foi possível realizar ajuste estatisticamente significativo de um modelo logarítmico do coeficiente de evaporação (Ke) em função de evapotranspiração de referência acumulada (ETo) ou da evaporação do tanque classe A acumulada(ECA). Os modelos para estimativa de ARM e de Ke em função dos índices de seca ∑EToPM e ∑ECA mostraram-se adequadas para seus propósitos, podendo ser também utilizadas para a estimativa da evaporação do solo nu (Es) considerando-se esta como a variação do ARM da água do solo. / Weighing lysimeters have high installation cost and require frequent maintenance and sometimes they do not produce satisfactory results due to the impossibility to represent all the situations that happen in an agricultural system. A simplified weighing lysimeter was developed to obtain soil water loss. Such a system just uses a load cell per lysimeter and another cell in the drainage system, which makes possible to measure of the evaporation during drainage process. The average cost of installation of a battery of three lysimeters in Piracicaba, SP, was approximately US$ 900. Satisfactory daily mass values were obtained, as well as for hourly and thirty minutes periods. A high correlation between the mass of the lysimeters and soil moisture was observed. The variation of soil evaporation along the day was larger than the variation obtained with calculated ETo. The values of evaporation coefficient, (Ke), were consistent. The phases of fast and slow reduction of Ke were identified respectively for medium and low soil water content. Was possible to adjust a logarithmic model to the relation ship between evaporation accumulated reference evapotranspiration (∑ETo) and accumulated evaporation from class A pan (∑ECA). The models for estimating (ARM) and Ke in function of the drought indexes ∑EToPM and ∑ECA were water storage in the soil appropriate and can be used to estimate evaporation of a bare soil, which is considered as the variation of ARM.

Irrigated agriculture is the primary consumer of limited worldwide freshwater resources. Drought, growing world populations, and environmental demands compete with irrigation for freshwater resources"”threatening sustainable global food, fuel, and fiber production. This escalating global crisis demands that agriculture produce more food using less water. Traditional irrigation management has used technology to apply uniform irrigation rates across landscapes"”ignoring natural environmental variation. This provides inherent inefficiencies of over- or under- irrigation within individual fields. Variable-rate irrigation (VRI) is modern technology that employs global positioning systems and geographic information systems to match irrigation to spatially variable crop water demands within a field. Although commercially available, VRI lacks scientifically validated decision support systems to determine spatially and temporally variable crop water demand. The purpose of this research is to explore spatial and temporal variations in crop water demand to inform growers utilizing VRI. This research consists of four seasons of winter wheat (Triticum aestivum L.) production on a commercial farm in Idaho that employs a VRI system. In Chapter 1, the spatial variation of crop water productivity (CWP, the grain produced per unit of water consumed), is characterized for two seasons (2016-2017) and we propose a unique conceptual strategy for VRI management targeted at CWP. Observed CWP ranged from 4.1-21 kg ha-1 mm-1 with distinct spatial variation that, when considered together with grain yield, were shown to be useful for VRI management. During the 2017 growing season, VRI zones conserved 25% of irrigation compared to traditional uniform irrigation management. In the second chapter the spatial variation of soil water holding capacity (SWHC) was measured at 90 sampling points throughout the field. Then, during the 2016-2017 growing seasons, the spatial and temporal variation of soil moisture were modelled to characterize crop stress and its influence on grain yield. Soil within the field showed large spatial variation of SWHC, ranging from 147-369 mm. Under uniform irrigation in 2016, the natural variation of TAW created 21 day variation in the onset of crop stress throughout the field and under VRI in 2017 the onset of crop stress spanned 56 d. Surprisingly the variations in TAW did not statistically influence yield in 2016, and in 2017 the rate of irrigation predicted yield and TAW again did not statistically predict yield. This suggests that other environmental variables should be included when delineating irrigation zones and rates for VRI.

Landslide characterization and hazard assessments require multidisciplinary approaches that connect geologic processes with geotechnical parameters. Field monitoring of hydrologic variables such as water content and water potential, coupled with geoelectrical measurements that can establish relationships used for geotechnical and landslide hazard investigations is deficient. This study brings together different techniques to develop a methodology that connects geoelectrical measurements and shear strength. A field-based framework was established that includes (1) analysis of long-term soil moisture fluctuations within different landslides (2) establishment of constitutive and new equations that test the use of electrical conductivity to predict soil-water relationships and shear strength (3) using electrical resistivity tomography (ERT) to support and facilitate the prediction of shear strength in a slope. Hydrologic conditions including volumetric water content, water potential, and electrical conductivity in the soil were measured at three active landslides in Kentucky. The in-situ electrical conductivity used within the framework is valid as a predictor of suction stress and shear strength. The ERT supports interpretations of landslide failure zones, landslide type, lithologic boundaries, and changes in moisture conditions, but also is able to utilize the methodology to calculate shear strength, and provide a spatial view of shear strength in the slope. The practical application of this framework is to support landslide hazard assessment and further understand the long-term influence of moisture conditions in hillslope soils. These parameters are pertinent to investigating the stability of landslides that are often triggered or reactivated by rainfall.

A thermo-elastic-plastic model for unsaturated soils has been presented based on the effective stress principle considering the thermo-mechanical and suction coupling effects. The thermo-elastic-plastic constitutive equations for stress-strain relations of the solid skeleton and changes in fluid content and entropy for unsaturated soils have been established. A plasticity model is derived from energy considerations. The model derived covers both associative and non-associative flow behaviours and the modified Cam-Clay is considered as a special case. All model coefficients are identified in terms of measurable parameters. To verify the proposed model, an experimental program has been developed. A series of controlled laboratory tests were carried out on a compacted silt sample using a triaxial equipment modified for testing unsaturated soils at elevated temperatures. Imageprocessing technique was used for measuring the volume change of the samples subjected to mechanical, thermal and hydric loading. It is shown that the effective critical state parameters M, ???? and ???? are independent of temperature and matric suction. Nevertheless, the shape of loading collapse (LC) curve was affected by temperature and suction. Furthermore, the temperature change affected the soil water characteristic curve and an increase in temperature caused a decrease in the air entry suction. The simulations from the proposed model are compared with the experimental results. The model calibration was performed to extract the model parameters from the experimental results. Good agreement between the results predicted using the proposed model and the experimental results was obtained in all cases.

The aim of the thesis is to find a method, in conjunction with the ordinary differential equation (ODE) based method of lines (MOL) solution of Richards’ equation, to model the steep wetting front infiltration in very dry soils, accurately and efficiently. Due to the steep pressure head or steep water volumetric content gradients, highly nonlinear soil hydraulic properties and the rapid movement of the wetting front, accurate solutions for infiltration into a dry soil are usually difficult to obtain. Additionally, such problems often require very small time steps and large computation times. As an enhancement to the used ODE/MOL approach, Higher Order Finite Differencing, Varying Order Finite Differencing, Vertical Scaling, Adaptive Schemes and Non-uniform Stretching Techniques have been implemented and tested in this thesis. Success has been found in the ability of Vertical Scaling to simulate very steep moving front solution for the Burgers’ equation. Unfortunately, the results also show that Vertical Scaling needs significant research and improvement before their full potential in routine applications for difficult nonlinear problems, such as Richard’s equation with very steep moving front solution, can be realized. However, we have also shown that the use of the composed form of RE and a 2nd order finite differencing for the first order derivative approximation is conducive for modelling steep moving front problem in a very dry soil. Additionally, with the combination of an optimal influx value at the edges of the inlet, the ODE/MOL approach is able to model a 2-D infiltration in very dry soils, effectively and accurately. Furthermore, one of the strengths of this thesis is the use of a MATLAB PDE template. Implementing the ODE/MOL approach via a MATLAB PDE template has shown to be most suitable for modelling of partial differential equations. The plug and play mode of modifying the PDE template for solving time-dependent partial differential equations is user-friendly and easy, as compared to more conventional approaches using Pascal, Fortran, C or C++. The template offers greater modularity, flexibility, versatility, and efficiency for solving PDE problems in both 1-D and 2-D spatial dimensions. Moreover, the 2-D PDE template has been extended for irregular shaped domains.