Submitted by Nathália Faria da Silva (nathaliafsilva.ufv@gmail.com) on 2017-06-20T12:19:44Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 317729 bytes, checksum: 13dd67e15b918d9c706ece532f7afefe (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-20T12:19:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 317729 bytes, checksum: 13dd67e15b918d9c706ece532f7afefe (MD5) Previous issue date: 2001-11-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Com o objetivo de determinar os fatores de retardamento e os coeficientes de dispersão-difusão do fosfato, potássio e amônio, quando aplicados em duas concentrações, realizou-se um experimento em laboratório utilizando colunas de percolação. Trabalhou-se com amostras de cinco solos do Estado de Minas Gerais (um Neossolo Quartzarênico órtico-RQo; três Latossolos Vermelhos distróficos – LVd1 , LVd2 e LVd3 ; e um Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico – LVAd). Os solos diferenciaram-se pelo teor de argila, na ordem: RQo<LVd1<LVAd<LVd2<LVd3. Os tratamentos corresponderam a um fatorial 5 x 2 3 , sendo cinco solos que receberam aplicações de soluções com duas concentrações de fosfato, amônio e potássio, correspondentes a 15 e 60 mg/L de P, 75 e 300 mg/L de K e 15 e 60 mg/L de N, respectivamente. Foram calculadas as concentrações relativas (C/C o ) para cada nutriente, representando-as em função do número de volume de poros, o que permitiu obter as curvas experimentais de efluente para cada íon. As curvas teóricas foram calculadas utilizando o programa DISP, desenvolvido no Departamento de Engenharia Agrícola da UFV. Os resultados obtidos mostram que o fator de retardamento para fosfato foi menor no solo mais arenoso (RQo) e maior no mais oxídico (LVd2). A menor concentração de fosfato resultou em maiores valores do fator de retardamento desse íon para os cinco solos estudados. Com relação à concentração do íon acompanhante, houve relação direta entre o fator de retardamento do fosfato e a concentração de potássio para o LVd1 e LVAd. A concentração de amônio não influenciou o fator de retardamento do fosfato nos solos menos argilosos (RQo, LVd1 e LVAd). Para o LVd2, houve relação inversa entre o fator de retardamento do fosfato e a concentração de amônio. No caso do LVd3, essa relação foi direta. Esse comportamento pode ser atribuído a diferenças texturais e mineralógicas. Observaram-se valores menores dos fatores de retardamento para o potássio e para o amônio, quando comparados com os do fosfato. Nos Latossolos, os maiores valores do fator de retardamento para potássio e amônio estiveram relacionados com o incremento da fração argila, sem tendência definida quanto à concentração do íon em estudo ou do íon acompanhante. Não foi evidenciada relação nítida entre as concentrações de fosfato, potássio e amônio e os coeficientes dispersivo -difusivos desses íons nos solos estudados. O modelo dispersivo -difusivo foi sensível às variações no comportamento das curvas experimentais de efluente de fosfato, potássio e amônio, tornando-se um instrumento útil na previsão do deslocamento desses nutrientes nos solos estudados. / Aiming at the determination of the retardation factors and the dispersion-diffusion coefficients of phosphate, potassium, and ammonium, when applied at two concentrations, an experiment was conducted under laboratory conditions using percolation columns. A number of samples from five soils of Minas Gerais State were used: one Orthic Quartzarenic Neosoil, RQo; three distrophic Red Latosoils - LVd1, LVd2 and LVd3; and one distrophic Yellow-Red Latosoil - LVAd). The clay content of the soils were different at the order: RQo <LVd1 <LVAd <LVd2 <LVd3. The treatments corresponded to a factorial scheme of 5 x 2 3 , that is, five soils were applied the solutions at two concentrations of phosphate, ammonium and potassium corresponding to 15 and 60 mg/L phosphorus, 75 and 300 mg/L potassium, and 15 and 60 mg/L nitrogen, respectively. The relative concentrations (C/C o ) were calculated for each nutrient, by representing them as a function of the number of pore volumes, which allowed to obtain the experimental effluent ixcurves for each ion. The theoretical curves were calculated by using the DISP program developed at the Agricultural Engineering Department in UFV. The obtained results show that the retardation factor for phosphate was lower in the sandiest soil (RQo) and higher in the more oxidic (LVd2). The lowest concentration of phosphate resulted into higher values of this ion retardation factor in all studied soils. In relation to the concentration of the accompanying ion, a direct relationship occurred between the phosphate retardation factor and potassium concentration for LVd1 and LVAd. The ammonium concentration had no influence upon the phosphate retardation factor in the less clayish soils (RQo, LVd1 and LVAd). An inverse relationship occurred between the phosphate retardation factor and ammonium concentration for LVd2. In the case of LVd3, this relationship was a direct one. That behavior might be attributed to both texture and mineralogical differences. Lower values of the retardation factors are observed for potassium and ammonium, when compared with those of phosphate. In Latosoils, the highest values of the retardation factor for potassium and ammonium were related to the increment in clay fraction, without a defined tendency relative to the concentration of the ion under study or the accompanying ion. No evident relationship was observed among the concentrations of phosphate, potassium and ammonium and the dispersive -diffusive coefficients of these ions in the studied soils. The dispersive -diffusive model was sensitive to variations in the behavior of the experimental effluent curves for phosphate, potassium and ammonium, so showing to be an useful tool for forecasting the displacement of these nutrients in the studied soils.

Submitted by Reginaldo Soares de Freitas (reginaldo.freitas@ufv.br) on 2016-06-08T15:18:58Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1054596 bytes, checksum: fdc390aa953bc4a046602882253fc9a0 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-08T15:18:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1054596 bytes, checksum: fdc390aa953bc4a046602882253fc9a0 (MD5) Previous issue date: 2009-02-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Deformações na estrutura natural nas amostras de solo afetam grandemente os valores determinados dos parâmetros de transporte de solutos e da condutividade hidráulica da água no solo. Diante disso, objetivou-se neste trabalho desenvolver um método eficaz e prático de amostragem de solo, mantendo-se a estrutura natural da amostra; comparar os valores dos parâmetros de transporte dos íons potássio e magnésio e da condutividade hidráulica da água no solo, obtidos de amostras retiradas com o método desenvolvido, com amostras retiradas com o amostrador de Uhland e destorroadas; e simular a distribuição de concentrações residentes dos íons potássio e magnésio em dois perfis de solo, empregando o programa computacional Disp. O amostrador desenvolvido constituiu-se de partes fixa e móvel. As amostras de solo foram coletadas em um Argissolo Vermelho Amarelo eutrófico (PVAe) e em um Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico (LVAd), no município de Viçosa, MG. Os valores dos fatores de retardamento (R), coeficientes dispersivo-difusivo (D) e dos coeficientes de distribuição (Kd) foram calculados utilizando-se o programa computacional Disp. Os parâmetros de mobilidade dos íons e de condutividade hidráulica foram submetidos à análise de variância e as médias comparadas utilizando-se o teste de Tukey, a 5 % de significância. Utilizando-se da ferramenta do programa computacional Disp, foram realizadas simulações da concentração residente dos íons potássio e magnésio em função da profundidade no perfil dos solos e do tempo de aplicação da solução de potássio e magnésio. Testes em campo comprovaram ser o equipamento eficaz ao permitir retirar amostras com diâmetro de 0,11 m e comprimento de até 1,0 m, dependendo da especificação do amostrador e do tipo de solo. Além disto, é um aparelho de fácil operacionalidade. As médias dos valores da condutividade hidráulica e dos parâmetros de transporte de solutos no solo, obtidas a partir de amostras com estrutura, retiradas com o amostrador desenvolvido, diferiram significativamente das outras modalidades de amostras. A análise dos resultados e as simulações comprovaram que a manutenção da estrutura natural do solo é fundamental, quando se deseja empregar esses parâmetros em programas computacionais para simular condições em campo. / Deformations in the natural structure of the soil samples greatly affect the values of hydraulic conductivity and transport parameters of the soil solutes. Thus, this work aimed to develop an effective and practical method for sampling of soil, maintaining the natural structure of the sample, compare the values of hydraulic conductivity and parameters of transport of ions potassium and magnesium from samples taken with the developed method, samples taken with the Uhland’s sampler and deformed samples, besides simulate the distribution of resident concentrations of ions potassium and magnesium in two soil profiles, using the computer program Disp. The developed sampler consisted of shares fixed and mobile. Soil samples were collected in a Red Yellow Eutrophic Argisol (PVAe) and a Red-Yellow Distrophic Latosol (LVAd), in Viçosa, MG. The values of retardation factors (R), dispersive-diffusive coefficient (D) and distribution coefficients (Kd) were calculated using the computer program Disp. The parameters of mobility of ions and hydraulic conductivity were submitted to analysis of variance and the averages compared using the Tukey test at 5% significance. The computer program Disp was used to simulate the distribution of resident concentrations of ions potassium and magnesium in two soil profiles. In field tests have proved to be effective to allow the equipment to remove sample with diameter of 0.11 m to 1.0 m in length, depending on the specification of the sampler and the soil. Furthermore, it is a device for easy operation. Mean values of hydraulic conductivity and parameters of transport of solutes in soil, obtained from samples with the structure, drawn with the sampler developed, differed significantly from other types of samples. The analysis and simulations showed that maintaining the natural structure of soil is essential, when you wish to use these parameters in computer programs to simulate conditions in the field.

A modification in an existing water uptake and solute transport numerical model was implemented in order to allow the model to simulate solute uptake by the roots. The convection-dispersion equation (CDE) was solved numerically, using a complete implicit scheme, considering a transient state for water and solute fluxes and a soil solute concentration dependent boundary for the uptake at the root surface, based on the Michaelis- Menten (MM) equation. Additionally, a linear approximation was developed for the MM equation such that the CDE has a linear and a non-linear solution. A radial geometry was assumed, considering a single root with its surface acting as the uptake boundary and the outer boundary being the half distance between neighboring roots, a function of root density. The proposed solute transport model includes active and passive solute uptake and predicts solute concentration as a function of time and distance from the root surface. It also estimates the relative transpiration of the plant, on its turn directly affecting water and solute uptake and related to water and osmotic stress status of the plant. Performed simulations show that the linear and non-linear solutions result in significantly different solute uptake predictions when the soil solute concentration is below a limiting value (Clim). This reduction in uptake at low concentrations may result in a further reduction in the relative transpiration. The contributions of active and passive uptake vary with parameters related to the ion species, the plant, the atmosphere and the soil hydraulic properties. The model showed a good agreement with an analytical model that uses a linear concentration dependent equation as boundary condition for uptake at the root surface. The advantage of the numerical model is it allows simulation of transient solute and water uptake and, therefore, can be used in a wider range of situations. Simulation with different scenarios and comparison with experimental results are needed to verify model performance and possibly suggest improvements. / Uma modificação em um modelo existente de extração de água e transporte de solutos foi realizada com o objetivo de incluir nele a possibilidade de simular a extração de soluto pelas raízes. Uma solução numérica para a equação de convecção-dispersão (ECD), que utiliza um esquema de resolução completamente implícito, foi elaborada e considera o fluxo transiente de água e solutos com uma condição de contorno à superfície da raiz de extração de soluto dependente de sua concentração no solo, baseada na equação de Michaelis- Menten (MM). Uma aproximação linear para a equação de MM foi implementada de tal forma que a ECD tem uma solução linear e outra não-linear. O modelo considera uma raiz singular com geometria radial sendo sua superfície a condição de contorno (limite) de extração e sendo o limite extremo a meia-distância entre raízes vizinhas, função da densidade radicular. O modelo de transporte de soluto proposto inclui extração de soluto ativa e passiva e prediz a concentração de soluto como uma função do tempo e da distância à superfície da raiz, além de estimar a transpiração relativa da planta, que por sua vez afeta a extração de água e solutos e é relacionado com a condição de estresse da planta. Simulações mostram que as soluções linear e não-linear resultam em predições de extração de solutos significativamente diferentes quando a concentração de solutos no solo está abaixo de um valor limitante (Clim). A redução da extração em baixas concentrações pode resultar em uma redução adicional na transpiração relativa. As contribuições ativa e passiva da extração de solutos variam com parâmetros relacionados à espécie de íon, à planta, à atmosfera e às propriedades hidráulicas do solo. O modelo apresentou uma boa concordância com um modelo analítico que aplica uma condição de contorno linear, à superfície da raiz, de extração de solutos dependente da concentração no solo. A vantagem do modelo numérico sobre o analítico é que ele permite simular fluxos transientes de água e solutos, sendo, portanto, possível simular uma maior gama de situações. Se faz necessário simulações com diferentes cenários e comparações com dados experimentais para se verificar a performance do modelo e, possivelmente, sugerir melhorias.

A modification in an existing water uptake and solute transport numerical model was implemented in order to allow the model to simulate solute uptake by the roots. The convection-dispersion equation (CDE) was solved numerically, using a complete implicit scheme, considering a transient state for water and solute fluxes and a soil solute concentration dependent boundary for the uptake at the root surface, based on the Michaelis- Menten (MM) equation. Additionally, a linear approximation was developed for the MM equation such that the CDE has a linear and a non-linear solution. A radial geometry was assumed, considering a single root with its surface acting as the uptake boundary and the outer boundary being the half distance between neighboring roots, a function of root density. The proposed solute transport model includes active and passive solute uptake and predicts solute concentration as a function of time and distance from the root surface. It also estimates the relative transpiration of the plant, on its turn directly affecting water and solute uptake and related to water and osmotic stress status of the plant. Performed simulations show that the linear and non-linear solutions result in significantly different solute uptake predictions when the soil solute concentration is below a limiting value (Clim). This reduction in uptake at low concentrations may result in a further reduction in the relative transpiration. The contributions of active and passive uptake vary with parameters related to the ion species, the plant, the atmosphere and the soil hydraulic properties. The model showed a good agreement with an analytical model that uses a linear concentration dependent equation as boundary condition for uptake at the root surface. The advantage of the numerical model is it allows simulation of transient solute and water uptake and, therefore, can be used in a wider range of situations. Simulation with different scenarios and comparison with experimental results are needed to verify model performance and possibly suggest improvements. / Uma modificação em um modelo existente de extração de água e transporte de solutos foi realizada com o objetivo de incluir nele a possibilidade de simular a extração de soluto pelas raízes. Uma solução numérica para a equação de convecção-dispersão (ECD), que utiliza um esquema de resolução completamente implícito, foi elaborada e considera o fluxo transiente de água e solutos com uma condição de contorno à superfície da raiz de extração de soluto dependente de sua concentração no solo, baseada na equação de Michaelis- Menten (MM). Uma aproximação linear para a equação de MM foi implementada de tal forma que a ECD tem uma solução linear e outra não-linear. O modelo considera uma raiz singular com geometria radial sendo sua superfície a condição de contorno (limite) de extração e sendo o limite extremo a meia-distância entre raízes vizinhas, função da densidade radicular. O modelo de transporte de soluto proposto inclui extração de soluto ativa e passiva e prediz a concentração de soluto como uma função do tempo e da distância à superfície da raiz, além de estimar a transpiração relativa da planta, que por sua vez afeta a extração de água e solutos e é relacionado com a condição de estresse da planta. Simulações mostram que as soluções linear e não-linear resultam em predições de extração de solutos significativamente diferentes quando a concentração de solutos no solo está abaixo de um valor limitante (Clim). A redução da extração em baixas concentrações pode resultar em uma redução adicional na transpiração relativa. As contribuições ativa e passiva da extração de solutos variam com parâmetros relacionados à espécie de íon, à planta, à atmosfera e às propriedades hidráulicas do solo. O modelo apresentou uma boa concordância com um modelo analítico que aplica uma condição de contorno linear, à superfície da raiz, de extração de solutos dependente da concentração no solo. A vantagem do modelo numérico sobre o analítico é que ele permite simular fluxos transientes de água e solutos, sendo, portanto, possível simular uma maior gama de situações. Se faz necessário simulações com diferentes cenários e comparações com dados experimentais para se verificar a performance do modelo e, possivelmente, sugerir melhorias.

Esta dissertação apresentou um estudo dos mecanismos de transporte de sódio, fosfato e amônio em colunas indeformadas de material inconsolidado residual de arenitos da Formação Adamantina. Em campo foi realizada caracterização táctil visual do material, alem de ensaios de condutividade hidráulica. Em laboratório, realizou-se ensaio de coluna em material indeformado, para que fossem obtidos os parâmetros de fluxo de água: velocidade linear media, velocidade de Darcy, vazão e condutividade hidráulica. Também foram obtidos os coeficientes de dispersão hidrodinâmica dos três íons estudados por meio de quatro métodos. Os fatores de retardamento dos íons foram obtidos por meio de três métodos. Para auxiliar nas analises, o solo foi caracterizado mineralógica, química, física e físico-quimicamente. Adicionalmente foram feitas analises da poro simetria e estudo das trajetórias de transporte. As informações foram integradas para que fosse possível analisar os parâmetros de transporte de solutos no solo. Com esta pesquisa percebeu-se que o uso dos parâmetros de transporte em modelagem do transporte de contaminantes deve ser feito com cautela, observando tanto as características do solo (mineralógicas, físicas, físico-químicas) quanto os modelos conceituais e as limitações dos métodos utilizados. / This research aimed to study the transport mechanisms of sodium, phosphate and ammonium in undisturbed columns of unconsolidated residual material of the sandstones from the Adamantina Formation. At field, visual and tactile characterization of the material were performed as well as hydraulic conductivity tests . At laboratory, there were made column tests in undisturbed samples to obtain the parameters of water flow, i.e., average linear velocity, Darcy velocity, flow rate and hydraulic conductivity. Hydrodynamic dispersion coefficients of every studied ion were determined using four methods. The retardation factors of the three ions were obtained using three methods. To assist the analysis, the soil was mineralogical, chemistry, physically and physic-chemically characterized. We also analyzed the water retention curve, mercury intrusion porosimetry and solute transport trajectories. All available data were integrated for analyzing the parameters of solute transport in soil. The results showed that the use of transport parameters in modeling of contaminant transport should be done with caution, observing soil characteristics, the conceptual models and the limitations of the methods used.

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

Esta dissertação apresentou um estudo dos mecanismos de transporte de sódio, fosfato e amônio em colunas indeformadas de material inconsolidado residual de arenitos da Formação Adamantina. Em campo foi realizada caracterização táctil visual do material, alem de ensaios de condutividade hidráulica. Em laboratório, realizou-se ensaio de coluna em material indeformado, para que fossem obtidos os parâmetros de fluxo de água: velocidade linear media, velocidade de Darcy, vazão e condutividade hidráulica. Também foram obtidos os coeficientes de dispersão hidrodinâmica dos três íons estudados por meio de quatro métodos. Os fatores de retardamento dos íons foram obtidos por meio de três métodos. Para auxiliar nas analises, o solo foi caracterizado mineralógica, química, física e físico-quimicamente. Adicionalmente foram feitas analises da poro simetria e estudo das trajetórias de transporte. As informações foram integradas para que fosse possível analisar os parâmetros de transporte de solutos no solo. Com esta pesquisa percebeu-se que o uso dos parâmetros de transporte em modelagem do transporte de contaminantes deve ser feito com cautela, observando tanto as características do solo (mineralógicas, físicas, físico-químicas) quanto os modelos conceituais e as limitações dos métodos utilizados. / This research aimed to study the transport mechanisms of sodium, phosphate and ammonium in undisturbed columns of unconsolidated residual material of the sandstones from the Adamantina Formation. At field, visual and tactile characterization of the material were performed as well as hydraulic conductivity tests . At laboratory, there were made column tests in undisturbed samples to obtain the parameters of water flow, i.e., average linear velocity, Darcy velocity, flow rate and hydraulic conductivity. Hydrodynamic dispersion coefficients of every studied ion were determined using four methods. The retardation factors of the three ions were obtained using three methods. To assist the analysis, the soil was mineralogical, chemistry, physically and physic-chemically characterized. We also analyzed the water retention curve, mercury intrusion porosimetry and solute transport trajectories. All available data were integrated for analyzing the parameters of solute transport in soil. The results showed that the use of transport parameters in modeling of contaminant transport should be done with caution, observing soil characteristics, the conceptual models and the limitations of the methods used.

Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2016-06-15T20:13:15Z No. of bitstreams: 2 Tese - Fernando Ernesto Ucker - 2015.pdf: 2298051 bytes, checksum: d8ba74457fe737b3f2a05b9a4183e681 (MD5) license_rdf: 19874 bytes, checksum: 38cb62ef53e6f513db2fb7e337df6485 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2016-06-28T12:27:51Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Fernando Ernesto Ucker - 2015.pdf: 2298051 bytes, checksum: d8ba74457fe737b3f2a05b9a4183e681 (MD5) license_rdf: 19874 bytes, checksum: 38cb62ef53e6f513db2fb7e337df6485 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-28T12:27:51Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - Fernando Ernesto Ucker - 2015.pdf: 2298051 bytes, checksum: d8ba74457fe737b3f2a05b9a4183e681 (MD5) license_rdf: 19874 bytes, checksum: 38cb62ef53e6f513db2fb7e337df6485 (MD5) Previous issue date: 2015-08-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In the state of Goiás sugarcane cultivation has expanded into areas of sandy soil, known as fragile because of their high risk of degradation. Potassium is a vital nutrient used in the cultivation of sugarcane and has been applied to these cultivated soils. Little is known about the mobility of the potassium ion in such soils. This thesis set out to assess the vertical movement of potassium in Quartz-sand Neosols found in an area of the Araucária farm, in the municipality of Mineiros, Goiás, which is under two types of regime: sugarcane cultivation and Cerrado vegetation. The movement of this nutrient was studied on the basis of three experiments: 1st) a laboratory experiment with columns. Soil samples were sent to the Hydraulics Laboratory at the Pontifical Catholic University of Goiás where the experiment with columns was performed in triplicate for each type of soil management. Each 100 cm high column was sectioned into rings of 10 cm in height by 7.5 cm in diameter. A total of 105 mg of K2O, in the form of KCl, was applied to the surface layer. Over the next ten days, deionized water was applied to each column, the equivalent of 600 mm precipitation at the end. The leachate effluent was collected periodically and sent for potassium content analysis. At the end of the ten-day period, the columns were dismantled, and the soil in each ring was collected and sent for analysis of potassium, organic matter and pH levels. The mean values of potassium were submitted to descriptive analysis and a t test (α = 0.05); 2nd) a field experiment under two types of water regime, natural and controlled. In the natural water regime, rectangular metal troughs measuring 0.5 m2 were made. Three were installed in soil under sugarcane cultivation and another three in the same soil under Cerrado vegetation. Witness soil samples were collected in November 2013, before the onset of the rainy season in that region. After this initial collection, the equivalent of 120 kg ha-1 of K2O in the form of KCl was applied to the soil, and left for the full wet season, until the end of April of the following year. After that, soil samples were collected from the troughs at each level of 10 cm to a depth of 100 cm. The analysis of potassium movement under the controlled water regime took place in November 2013. The areas assessed were the same as those of the natural water regime. For this study concentric rings were used to delimit the area and ensure a vertical flow of the water applied. The equivalent of 600 mm of water was applied within the internal ring. After 24 hours the same amount of K+ as was applied in the natural regime and water equivalent to 600 mm of accumulated rain were applied. After 48 hours, soil sampling was carried out with a Dutch auger at levels of 10 cm to a depth of 100 cm. The soil samples collected in the field were sent for analysis in terms of total sand, silt, total clay, K+, pH and organic matter, and; 3rd) the field experiment with biennial evaluation of potassium movement. This experiment involved two parallel stretches of Quartz-sand Neosols along a slope, one with Cerrado vegetation and the other with sugarcane cultivation. In each of these stretches a transect with ten sampling points, each 30 m apart, was established and samples were collected at each point. Composite samples were collected in the two areas under study at depths of 0-20, 20-40, 40-60, 100-120 and 160-180 cm. After collection, the samples were bagged and appropriately identified, then forwarded for analysis to the Embrapa Soils Laboratory in Rio de Janeiro. The collections were made in November 2011 and 2012, the beginning of the rainy season in the region under study, and in April 2012 and 2013, the end of the rainy season, yielding a two-year evaluation period. In the laboratory, the samples were analyzed for cation exchange capacity, pH and organic matter, as well as for potassium. It was concluded from the first experiment that in the Quartz-sand Neosols there could be a significant loss of K+ after applying potassium to the soil. An increase of more than 1% in organic matter content could positively influence K+ retention in this type of soil. It was concluded from the second experiment that there was a significant movement of potassium levels to lower layers in the natural water regime after the accumulated rainfall of 1638 mm, both in the soil under cultivation and under Cerrado vegetation. From the third experiment it was concluded that the potassium ion behaved differently in the two soil regimes, sugarcane cultivation and Cerrado vegetation, and an increase in the nutrient was seen in layers of more than 100 cm in depth. / No Estado de Goiás o cultivo da cana-de-açúcar tem se expandido para áreas com solos arenosos, denominados frágeis por seus altos riscos a degradação. Potássio é um importante nutriente utilizado no cultivo da cana-de-açúcar e tem sido aplicado nesses solos sob cultivo. Pouco se conhece sobe a mobilidade do íon potássio em tais solos. Esta tese teve o objetivo de avaliar a movimentação vertical de potássio em Neossolo Quartzarênico encontrado em área da Fazenda Araucária, localizada na região do município de Mineiros-GO, que se encontra sob dois tipos de usos: sob o cultivo de cana-de-açúcar e sob vegetação de Cerrado. A movimentação deste nutriente foi estudada a partir de três experimentos: 1°) experimento laboratorial com colunas. Amostras de solo foram encaminhadas para o Laboratório de Hidráulica da Pontifícia Universidade Católica de Goiás onde o experimento com colunas foi realizado em triplicata para cada tipo de uso. Cada coluna possuía 100 cm de altura e foi seccionada em anéis de 10 cm de altura por 7,5 cm de diâmetro. Cada coluna recebeu acima da camada superficial, 105 mg de K+, na forma de KCl. Durante dez dias seguidos foi aplicada água deionizada em cada coluna, representando ao final uma precipitação de 600 mm. O efluente lixiviado foi coletado periodicamente e encaminhado para análise do teor de potássio. Ao final dos dez dias as colunas foram desmontadas e o solo foi coletado em cada anel e encaminhado para análise de teores de potássio, matéria orgânica e pH. As médias dos valores de potássio foram submetidas a análise descritiva e teste t (α = 0,05); 2°) experimento em campo sob dois tipos de regime hídrico, natural e controlado. No regime hídrico natural, calhas metálicas retangulares foram confeccionadas com área de 0,5 m2. Três calhas foram instaladas em solo sob cultivo com cana-de-açúcar e outras três calhas no mesmo solo sob Cerrado. Amostras de solo testemunhas foram coletadas em novembro de 2013, antes do início do período chuvoso na região. Após coleta inicial, foi aplicado sobre o solo o equivalente a 80 kg ha-1 de K+ na forma de KCl, e aguardou-se todo o período chuvoso, com fim em abril do ano seguinte. Após isto, amostras de solo foram coletadas no interior das calhas a cada 10 cm até a profundidade de 100 cm. A avaliação da movimentação de potássio sob regime hídrico controlado foi realizada em novembro de 2013 e as áreas avaliadas foram as mesmas do regime hídrico natural. Para esse estudo foram utilizados anéis concêntricos para delimitação da área e para garantir fluxo vertical da água aplicada. Aplicou-se no interior do anel interno o equivalente a 600 mm de água. Após 24 horas aplicou-se a mesma quantidade de K+ do regime natural e água equivalente a 600 mm de chuva acumulada. Após 48 horas procedeu-se a amostragem do solo a cada 10 cm até a profundidade de 100 cm com uso de trado holandês. As amostras de solo coletadas em campo foram encaminhadas para avaliação quanto aos teores de K+, pH e matéria orgânica e; 3º) experimento em campo com avaliação bianual da movimentação vertical do potássio. Nesse experimento foram considerados como tratamento duas faixas paralelas de um Neossolo Quartzarênico dispostas ao longo da vertente, sendo uma com vegetação de Cerrado e outra com cultivo de cana-de-açúcar. Em cada uma das faixas foi estabelecido um transecto com dez pontos de amostragem, espaçados de 30 m entre si, onde repetiu-se a coleta de amostras em cada ponto. Amostras compostas foram coletadas nas duas áreas estudadas nas profundidades de 0-20, 20-40, 40-60, 100-120 e 160-180 cm. Após a coleta, as amostras foram ensacadas e devidamente identificadas, sendo então encaminhadas ao Laboratório de Solos da Embrapa Solos – RJ para análise. As coletas ocorreram em novembro de 2011 e 2012, período que significa início da estação chuvosa na região de estudo e abril de 2012 e 2013, período correspondente ao final da estação chuvosa, totalizando dois anos de avaliação. Em laboratório, as amostras foram submetidas à análise da capacidade de troca catiônica, pH e matéria orgânica, além de potássio. Do primeiro experimento concluiu-se que em Neossolo Quartzarênico pode haver significativa perda de K+ após aplicação de potássio no solo. O aumento do teor de matéria orgânica acima de 1% pode influenciar positivamente a retenção de K+ neste tipo de solo. Do segundo experimento concluiu-se que houve movimento significativo dos teores de potássio para camadas inferiores em regime hídrico natural após precipitação acumulada de 1.638 mm, tanto no solo sob lavoura quanto no solo sob Cerrado. Já do terceiro experimento concluiu-se que o íon potássio teve comportamento distinto para o solo cultivado com cana-de-açúcar em relação ao solo sob Cerrado, e verificou-se acréscimo do nutriente em camadas superiores a 100 cm de profundidade.

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

[pt] Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema integrado de modelagem, tridimensional, de fluxo e transporte em meios porosos e fraturados. O sistema é composto de seis programas computacionais, que são responsáveis pela geração de superfícies geológicas (Gocad), geração de sistemas de fraturas (FracGen3D), modelagem geométrica (MG), análise numérica de fluxo e transporte (soluto e partículas) (FTPF-3D) e visualização dos resultados (Pos3D e Matlab). Dos programas, dois foram desenvolvidos neste trabalho (FracGen3D e o FTPF-3D) e quatro foram integrados ao sistema (Gocad, MG, Pos3D e Matlab). O sistema é capaz de modelar os meios porosos, fraturados, porosos fraturados (meio poroso e fraturado interposto) e uma combinação entre os meios. Nos meios fraturados ou porosos fraturados, as fraturas geradas podem ser do tipo determinísticas e/ou estatísticas. As características das fraturas estatísticas podem ser geradas segundo distribuições probabilísticas ou com valores constantes. O programa de análise numérica utiliza o Método dos Elementos Finitos para resolver as equações governantes, considerando os regimes permanente e transiente, em condições saturadas e não saturadas. Para a solução da não linearidade da equação de fluxo, é adotado o método de Picard ou o método BFGS. No transporte de solutos, os mecanismos de advecção, dispersão, difusão, sorção e decaimento podem ser considerados. O trabalho apresenta exemplos numéricos utilizados na validação das implementações computacionais realizadas, e apresenta também, outros exemplos utilizados para demonstrar o sistema desenvolvido. / [en] This work presents the development of an integrated system for the threedimensional modelling of flow and transport in porous and fractured media. The system is composed of six computational programs, which are responsible for the generation of geologic surface (Gocad), generation of fracture network (FracGen3D), geometric modelling (MG), numerical analysis of flow and transport (solute and particles) (FTPF-3D) and results visualization (Pos3D and Matlab). Of the programs, two had been developed in this work (FracGen3D and the FTPF-3D) and four had been integrated to the system (Gocad, MG, Pos3D and Matlab). The system is able to model the porous, fractured, fractured porous media (porous and fractured medias interposed) and a combination between the media. In the fractured or fractured porous media, the fractures generated can be of the type deterministic and/or statistical. The characteristics of the statistical fractures can be generated according to probabilistic distributions or with constant values. The numerical analysis program uses the Finite Element Method to solve the governance equations, considering steady-state and transient flow, in saturated and unsaturated conditions. For the solution of non linearity of the flow equation, the Picard scheme or the BFGS scheme are adopted. In the solute transport, the advection, dispersion, diffusion, sorption and decay mechanisms can be considered. This work also presents numerical examples used in the validation of the carried through computational implementations and other examples used to demonstrate the system that has been developed.