>Magister Scientiae - MSc / Aquifer vulnerability assessment is increasingly becoming a very significant basis in order to fulfil the water demands in South Africa. Knowledge of soil hydraulic properties that consists of the soil water retention and hydraulic conductivity functions is a prerequisite for predicting solution transport in soils. The overall objective of the study is to develop a database of hydraulic properties for collected undisturbed samples and to test selected models by making use of this database. Studies of the vadose zone are generally restricted to the top 1.2 meters; therefore this study aims at essentially improving the lack of measurements and modelling in the vadose zone. There exist several methods to determine hydraulic properties of soil that make use of hydraulic conductivity (K) determination in the vadose zone. The most accurate estimates of hydraulic conductivity are possible through direct measurements or measurements of the water retention curve. For this study, the drilling and sampling of five boreholes (maximum depth 20 m) proceeded during March and April 2005 at two typical sites in the Western Cape, namely the Berg river site (Riebeek West) and Ithemba site (Cape Flats). In total, 76 undisturbed core samples were collected from which the detailed borehole log descriptions were made. The determination of the soil water retention curves of the collected samples was based on laboratory techniques using Eijkelkamp drying and suction equipment (sand box and clay box). When modelling groundwater vulnerability, it is essential to look at the soil water retention curves with increased importance, as they provide graphical and mathematical confirmation of porosity, preferential flows, volumetric water content and unsaturated hydraulic conductivity. Therefore, a numerical model called RETC was used to determine soil hydraulic properties. The RETC model uses equations of Van Genuchten (Van Genuchten, 1980) and Brooks-Corey (Brooks and Corey, 1966) to determine parameters for soil water retention and the methods of Mualem (1976) and Burdine (1953) to determine unsaturated hydraulic conductivity functions. Saturated hydraulic conductivity values were estimated by using RETC soil database based on textural descriptions of collected samples. Using the soil hydraulic estimates obtained from RETC, sensitivity analyses were run with a one dimensional transport model, Macro 5.0 for two sites at iThemba and in the Berg river.

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

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

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

A função condutividade hidráulica é um dos parâmetros essenciais para o estudo do fluxo em solos não saturados, permitindo abordar, dentre outros, o avanço da frente de umedecimento e questões como a irrigação e drenagem de solos. Para determinar a condutividade hidráulica não saturada de um solo típico da região Centro-Oeste do Estado de São Paulo, utilizou-se o infiltrômetro de disco. Este equipamento permite conduzir a infiltração de água, estando esta sujeita a um potencial negativo. Com os dados de infiltração acumulada e tempo acumulado obtidos em cada ensaio, foi possível determinar os valores da condutividade hidráulica não saturada e sortividade. Os cálculos foram feitos por diferentes métodos para cada ensaio realizado com o infiltrômetro de disco e comparadas com resultados de ensaios utilizando o permeâmetro Guelph. Observou-se que as condutividades hidráulica não saturadas obtidas com o infiltrômetro de disco tenderam a valores próximos das fornecidas indiretamente por meio do permeâmetro Guelph, com dispersão de aproximadamente uma ordem de grandeza para cada sucção. Também se observou que a condutividade hidráulica não saturada tende a diminuir conforme aumenta a sucção imposta ao solo, mesmo considerando a estreita faixa de sucções usadas nos ensaios. Notou-se ainda pequena variação nas condutividades hidráulicas saturadas calculadas por meio do infiltrômetro de disco, por meio de medidas diretas utilizando o permeâmetro Guelph e ensaios de permeabilidade realizados em laboratório. / The hydraulic conductivity function is essential to the study of water flow in unsaturated soils. From function there can be derived the advancement of the humidification (saturation) front, among other parameters, which is essential to projects of irrigation and drainage of soils. A disk infiltrometer was used to determine the unsaturated hydraulic conductivity of a sample of typical soil from central São Paulo, Brazil. The disk infiltrometer apparatus conducts the infiltration water, which is held at negative potential. Data for cumulative infiltration and elapsed time for each test was used to determine values of unsaturated hydraulic conductivity and sorptivity. Different methodology was applied in the calculations. Data for each experiment carried out utilizing the disk infiltrometer was compared to data obtained utilizing the permeameter of Guelph. It was observed that the unsaturated hydraulic conductivity obtained through the disk infiltrometer yielded values near those obtained indirectly by the permeameter of Guelph, which showed dispersion approximately within one order of magnitude for each suctioning performed. Furthermore, it was observed that the unsaturated hydraulic conductivity tends to diminish in magnitude in an inverse relation to the suction pressure subjected by the soil, even after considering the narrow band of suction pressures carried out in the tests. It was further observed a small variation in the saturated hydraulic conductivities computed from data obtained directly from the infiltrometer disk, the permeameter of Guelph, and other permeability tests done in laboratory.

O conhecimento das propriedades hidráulicas do solo referentes ao movimento da água é essencial para a solução de problemas que envolvem a poluição de mananciais e aquíferos, a conservação da água e o controle da erosão. Neste contexto, as propriedades hidráulicas do solo de maior importância são a curva de retenção da água no solo, a condutividade hidráulica e a difusividade hidráulica em função do conteúdo de água no solo. O método do perfil instantâneo é um dos métodos mais utilizados na determinação da condutividade hidráulica do solo não saturado, no entanto, a suposição do gradiente de potencial total unitário, adotado nos modelos de simplificação do método do perfil instantâneo, é ainda muito questionada em perfis de solo que não sejam estritamente homogêneos e com conteúdo de água afastado da saturação. Nesse sentido, os objetivos do projeto são: (1) obter e comparar a função condutividade hidráulica do solo pelo modelo de Hillel et al. (1972) com o modelo propostos por Libardi et al. (1980) e por van Genuchten (1980); (2) verificar a influência da adoção do gradiente de potencial total unitário no modelo de Libardi et al. (1980). O método simplificado de Libardi et al. (1980) apresenta boa concordância com o método padrão de Hillel et al. (1972) em estimar a condutividade hidráulica do solo não saturado para tempos de observação superiores a 24 horas, mesmo quando o gradiente de potencial total fica relativamente distante da unidade. Para tempos de observação inferiores a 24 horas, onde o conteúdo de água é maior, o modelo de Libardi et al. (1980) superestima o valor de condutividade hidráulica. A aplicação do método de Libardi et al. (1980), também em tempos de redistribuição inferiores a 24 horas, permite obter valores mais precisos de condutividade hidráulica do solo, expressos assim por duas funções com relação ao tempo de redistribuição observado. A presença de horizontes pedológicos ocasionou o impedimento hidráulico ao movimento da água, ou seja, reduziram a condutividade hidráulica do solo não saturado. O impedimento foi proporcional à maior proximidade dos horizontes. O aumento do valor médio e da variação do gradiente de potencial total se correlacionou exponencialmente com a redução da concordância do modelo simplificado de Libardi et al. (1980) com o modelo padrão de determinação da condutividade hidráulica do solo não saturado (Hillel et al., 1972). / The knowledge of the soil hydraulic properties related to the water movement is essential for the solution of problems involving the pollution of water sources and aquifers, water conservation and erosion control. In this context, the most important hydraulic properties of the soil are the soil water retention curve, the hydraulic conductivity and the hydraulic diffusivity as a function of soil water content. The instantaneous profile method is one of the most used methods to determine the unsaturated soil hydraulic conductivity, however, the assumption of the total potential gradient, adopted in the simplification models of the instantaneous profile method, is still very questioned in soil profiles that are not strictly homogeneous and with water content far from saturation. In this sense, the objectives of the project are: (1) obtain and compare the hydraulic conductivity function of the soil by the model of Hillel et al. (1972) with the model proposed by Libardi et al. (1980) and van Genuchten (1980); (2) verify the influence of the adoption of the unit total potential gradient in the model of Libardi et al. (1980). The simplified method of Libardi et al. (1980) shows good agreement with the standard method of Hillel et al. (1972) to estimate the hydraulic conductivity of the unsaturated soil for observation times greater than 24 hours, even when the total potential gradient is relatively far from the unit. For observation times shorter than 24 hours, where the water content is higher, the method by Libardi et al. (1980) overestimates the value of hydraulic conductivity. The application of the method, also in redistribution times less than 24 hours, allows to obtain more precise values of hydraulic conductivity of the soil, thus expressed by two functions with respect to the redistribution time observed. The presence of pedological horizons caused the hydraulic impedance to the water movement, that is, has reduced the hydraulic conductivity. The impediment was proportional as greater proximity the horizons have from each other. The increase in the mean value and variation of the total potential gradient correlated exponentially with the reduction of the agreement index comparing the simplified model of Libardi et al. (1980) with the standard model for determining the hydraulic conductivity of the unsaturated soil (Hillel et al., 1972).

O conhecimento das propriedades hidráulicas do solo referentes ao movimento da água é essencial para a solução de problemas que envolvem a poluição de mananciais e aquíferos, a conservação da água e o controle da erosão. Neste contexto, as propriedades hidráulicas do solo de maior importância são a curva de retenção da água no solo, a condutividade hidráulica e a difusividade hidráulica em função do conteúdo de água no solo. O método do perfil instantâneo é um dos métodos mais utilizados na determinação da condutividade hidráulica do solo não saturado, no entanto, a suposição do gradiente de potencial total unitário, adotado nos modelos de simplificação do método do perfil instantâneo, é ainda muito questionada em perfis de solo que não sejam estritamente homogêneos e com conteúdo de água afastado da saturação. Nesse sentido, os objetivos do projeto são: (1) obter e comparar a função condutividade hidráulica do solo pelo modelo de Hillel et al. (1972) com o modelo propostos por Libardi et al. (1980) e por van Genuchten (1980); (2) verificar a influência da adoção do gradiente de potencial total unitário no modelo de Libardi et al. (1980). O método simplificado de Libardi et al. (1980) apresenta boa concordância com o método padrão de Hillel et al. (1972) em estimar a condutividade hidráulica do solo não saturado para tempos de observação superiores a 24 horas, mesmo quando o gradiente de potencial total fica relativamente distante da unidade. Para tempos de observação inferiores a 24 horas, onde o conteúdo de água é maior, o modelo de Libardi et al. (1980) superestima o valor de condutividade hidráulica. A aplicação do método de Libardi et al. (1980), também em tempos de redistribuição inferiores a 24 horas, permite obter valores mais precisos de condutividade hidráulica do solo, expressos assim por duas funções com relação ao tempo de redistribuição observado. A presença de horizontes pedológicos ocasionou o impedimento hidráulico ao movimento da água, ou seja, reduziram a condutividade hidráulica do solo não saturado. O impedimento foi proporcional à maior proximidade dos horizontes. O aumento do valor médio e da variação do gradiente de potencial total se correlacionou exponencialmente com a redução da concordância do modelo simplificado de Libardi et al. (1980) com o modelo padrão de determinação da condutividade hidráulica do solo não saturado (Hillel et al., 1972). / The knowledge of the soil hydraulic properties related to the water movement is essential for the solution of problems involving the pollution of water sources and aquifers, water conservation and erosion control. In this context, the most important hydraulic properties of the soil are the soil water retention curve, the hydraulic conductivity and the hydraulic diffusivity as a function of soil water content. The instantaneous profile method is one of the most used methods to determine the unsaturated soil hydraulic conductivity, however, the assumption of the total potential gradient, adopted in the simplification models of the instantaneous profile method, is still very questioned in soil profiles that are not strictly homogeneous and with water content far from saturation. In this sense, the objectives of the project are: (1) obtain and compare the hydraulic conductivity function of the soil by the model of Hillel et al. (1972) with the model proposed by Libardi et al. (1980) and van Genuchten (1980); (2) verify the influence of the adoption of the unit total potential gradient in the model of Libardi et al. (1980). The simplified method of Libardi et al. (1980) shows good agreement with the standard method of Hillel et al. (1972) to estimate the hydraulic conductivity of the unsaturated soil for observation times greater than 24 hours, even when the total potential gradient is relatively far from the unit. For observation times shorter than 24 hours, where the water content is higher, the method by Libardi et al. (1980) overestimates the value of hydraulic conductivity. The application of the method, also in redistribution times less than 24 hours, allows to obtain more precise values of hydraulic conductivity of the soil, thus expressed by two functions with respect to the redistribution time observed. The presence of pedological horizons caused the hydraulic impedance to the water movement, that is, has reduced the hydraulic conductivity. The impediment was proportional as greater proximity the horizons have from each other. The increase in the mean value and variation of the total potential gradient correlated exponentially with the reduction of the agreement index comparing the simplified model of Libardi et al. (1980) with the standard model for determining the hydraulic conductivity of the unsaturated soil (Hillel et al., 1972).

Made available in DSpace on 2017-07-10T19:24:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gilberto Comiran.pdf: 1846926 bytes, checksum: 1b96f9d3924516f3c3a1814a89cd0014 (MD5) Previous issue date: 2006-07-21 / In this work, it is shown an application of a model to obtain the hydraulic conductivity of soils no saturated using concepts Fractal Geometry and the laws of Laplace and of Poiseuille. For the obtaining of the soil water retention curve it was used the camera of pressure of Richards and the experimental data of hydraulic conductivity in function of the soil water content were obtained through the Method of Hillel with the tensiometry use, according to a potency model. The equation van Genuchten with their parameters was used for the obtaining of the hydraulic conductivity. The application of the models of the Geometric Average and of the Neutral Pore suggested by Fuentes was shown simple and capable of predicting the hydraulic conductivity satisfactorily. / Neste trabalho, apresenta-se a aplicação de um modelo para se estimar a condutividade hidráulica de solos não saturados, utilizando os conceitos da Geometria Fractal e das leis de Laplace e de Poiseuille. Para a obtenção da curva de retenção de água, foi utilizada a câmara de pressão de Richards e os dados experimentais de condutividade hidráulica, em função da umidade do solo, foram obtidos através do Método de Hillel com a utilização de tensiometria, conforme um modelo de potência. A equação de van Genuchten, com seus parâmetros, foi utilizada para a obtenção da condutividade hidráulica. A aplicação dos modelos da Média Geométrica e do Poro Neutro sugerido por Fuentes mostrou-se simples e capaz de predizer a condutividade hidráulica satisfatoriamente.

Made available in DSpace on 2017-05-12T14:48:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gilberto Comiran.pdf: 1846926 bytes, checksum: 1b96f9d3924516f3c3a1814a89cd0014 (MD5) Previous issue date: 2006-07-21 / In this work, it is shown an application of a model to obtain the hydraulic conductivity of soils no saturated using concepts Fractal Geometry and the laws of Laplace and of Poiseuille. For the obtaining of the soil water retention curve it was used the camera of pressure of Richards and the experimental data of hydraulic conductivity in function of the soil water content were obtained through the Method of Hillel with the tensiometry use, according to a potency model. The equation van Genuchten with their parameters was used for the obtaining of the hydraulic conductivity. The application of the models of the Geometric Average and of the Neutral Pore suggested by Fuentes was shown simple and capable of predicting the hydraulic conductivity satisfactorily. / Neste trabalho, apresenta-se a aplicação de um modelo para se estimar a condutividade hidráulica de solos não saturados, utilizando os conceitos da Geometria Fractal e das leis de Laplace e de Poiseuille. Para a obtenção da curva de retenção de água, foi utilizada a câmara de pressão de Richards e os dados experimentais de condutividade hidráulica, em função da umidade do solo, foram obtidos através do Método de Hillel com a utilização de tensiometria, conforme um modelo de potência. A equação de van Genuchten, com seus parâmetros, foi utilizada para a obtenção da condutividade hidráulica. A aplicação dos modelos da Média Geométrica e do Poro Neutro sugerido por Fuentes mostrou-se simples e capaz de predizer a condutividade hidráulica satisfatoriamente.

Natural coarse textured soils comprise a significant portion (approximately 20%) of the area to be mined at Suncor, Syncrude (aurora mine), Albian/Shell, and CNRL mines in the Alberta’s oil sands (Macyk, 2006). Although similar in soil textural classifications, the undisturbed areas support a range of ecosite types which exhibit different moisture regimes, suggesting that there are natural mechanisms controlling the plant available water sufficient for forest development. The global objective of this study was to evaluate the potential for textural variability to enhance water storage in coarse textured soil. The observations of the infiltration and drainage behaviour of natural and reclaimed coarse-texture soils in this study have demonstrated that this potential exists and can be applied in reclamation design to achieve the ranges of soil water storage needed to establish different ecosites. Field based infiltration and drainage testing, pit excavation and sampling have been completed on 14 sites (7 natural and 7 reclaimed). Bulk saturated hydraulic conductivity and field capacity were estimated for each of the 14 sites based on the field test results. The observed transient water dynamics give an indication of the effect of layering on these material properties. Laboratory analysis of water content (650 samples), particle size (650 samples), water retention (35 samples), organic carbon (100 samples) as well as calibration of field instrumentation were completed on a large number of samples (approximate values shown in brackets above) across all sites. The laboratory analysis was used to characterize textural variability (mean and standard deviation of the particle diameter) for the layered sites and estimate the soil water retention curve (SWRC) relationships for the range of soil textures encountered at the study sites. Pedotransfer functions (PTFs) were used to investigate if there were significant differences in the residual sum of squares between estimated and measured SWRCs. The measured organic carbon was used to aid in estimating permanent wilting point (WP) used in the calculation of the available water holding capacity (AWHC) of all profiles. An investigation into the calibration of the moisture capacitance probe (MCP) was undertaken as part of a comparison of the measured and simulated volumetric water content (VWC) profiles. Water storage at the cessation of drainage was related to the soil texture and textural variability as measured in the laboratory. Sites with more textural variability generally stored more water for plant use. There appeared to be a limit to what can be considered ‘useful’ textural variability. If adjacent soil layers had too extreme a contrast in texture and therefore hydraulic conductivity, unstable/preferential flow (i.e. bypassing of some of the water and nutrients from plant roots) occurred. The total porosity calculated from field samples was often higher than the maximum measured VWC in each layer which may be indicative of one or more factors that resulted in less than full saturation being attained within the targeted 1 m depth of saturation during the test. Some of these factors include: errors in sampling leading to an overestimate of total porosity; lateral flow along textural interfaces; air entrapment within the rapidly advancing wetting front; unstable/preferential flow as a result of the high contrast in hydraulic conductivity (fine over coarse) between adjacent layers (i.e. Ks Ratio >20) or where tests were conducted on slopes (i.e. funnel flow). This latter case was common at the reclaimed sites. A modelling study of one uniform (SV10) and one layered (NLFH1) natural site was conducted. The models were built by incorporating soil properties of the layers in the various soil profiles as estimated from field and/or laboratory testing. This study offers a comparison between various PTFs and their ability to capture the soil-water storage/dynamics during infiltration and drainage testing. The Arya PTF gave a better estimation of the laboratory measured SWRCs. However, when modeling the measured infiltration and drainage testing for the relatively uniform site SV10, the Arya PTF and Modified Kovacs (MK) PTF performed similarly. The Arya PTF performing slightly better for the infiltration phase and the MK PTF performing slightly better for the drainage phase. Both PTFs gave a reasonable estimation of water storage but the MK PTF gave a better estimation of the water storage with time as compared to the Arya PTF. For the highly layered site NLFH1, neither model performed well. The Arya PTF gave a substantially better estimation of the infiltration phase and gave the better estimation of the magnitude of water storage with time, the MK PTF performed marginally better for the drainage phase and gave a better estimation of the shape of the water storage with time. Generally, the study showed that the replication of the profile water storage requirements for the layered natural ecosites (‘b’ and ‘d’ ecosites) has been achieved and can be achieved by layering (or even mixing) available coarse textured reclamation materials. This study has indicated that replicating the highly uniform ecosites (‘a’ ecosites) is where the bigger challenge lies in reclamation. Reclaiming with a diversity of target ecosites is essential to achieving the pre-disturbance land capability standard that the mine operators are bound by. The temptation may exist to simply condone reclamation that has met or exceeded the pre-exisiting land capability. However, problems with ground water recharge and regional water distribution are likely to arise if large areas of lower functioning ecosites are replaced with higher functioning ecosites.