Geosynthetic clay liners (GCL) are a composite material commonly used as hydraulic barriers in landfill liners. Due to their dependence on hydration for proper function, the water retention curve (WRC) of a GCL is important. The inherent difficulty in obtaining the WRC, including the range of suction and composite material, has limited the number of GCL WRCs in the literature. In order to quantify the large range of suctions, a dual testing technique was developed, which uses a high capacity tensiometer to measure suctions for the low suction range (0 - 500 kPa) and a relative humidity sensor for the high suction range (3,000 - 1,000,000 kPa). In total, four different GCL products were tested, varying in both materials (woven and nonwoven geotextiles) and construction methods (thermal treatment and needle punching). The dual technique method was used to establish both wetting and drying curves that were presented as gravimetric, volumetric and bulk GCL void ratio WRCs. The WRCs of the different GCL products showed significant variation between their wetting and drying curves indicating that both needle punching and thermal treatment have a significant effect on the swelling behaviour of the GCL and its WRC. Theoretical equations were fit to the experimental data establishing the parameters that can be used for numerical modeling of these four GCL products. / Thesis (Master, Civil Engineering) -- Queen's University, 2009-04-22 14:37:55.196

Orientador: José Eduardo Corá / Banca: Marlene Cristina Alves / Banca: Paulo Leonel Libardi / Banca: José Carlos Barbosa / Banca: Marcílio Vieira Martins Filho / Resumo: Avaliar o nível de degradação imposta pelo uso agrícola tornou-se fundamental para estabelecer estratégias de manejo sustentáveis que mantenham a qualidade dos solos. A hipótese desse trabalho foi a de que o Latossolo Vermelho argiloso, em sequências de culturas de verão e inverno sob sistema de semeadura direta de longa duração, pode ter sua produtividade e qualidade física influenciada segundo o esquema de rotação de culturas adotado. O presente estudo teve como objetivos: i) determinar o número mínimo de tensões para a determinação da curva de retenção de água no solo de maneira acurada e em menor tempo; ii) determinar o índice S e caracterizar as transformações nos atributos do solo e iii) verificar a qualidade do solo correlacionando o índice S com os atributos físicos do solo e com a produtividade das culturas. O delineamento utilizado foi o de blocos em faixas com três repetições. Os tratamentos foram constituídos pela combinação de dois fatores: quatro sequências de culturas de verão (milho em monocultura - MV; soja em monocultura - SV; rotação soja/milho - RT; e rotação arroz/feijão/algodão - AF); e sete culturas de inverno (milho; girassol; nabo forrageiro; milheto; guandu, sorgo e crotalária). As camadas de solo foram avaliadas nas profundidades de 0-0,1; 0,1-0,2; e 0,2-0,3 m. O conteúdo de água foi medido nas tensões de 0; 10; 20; 40; 60; 80; 100; 200; 300; 500; 700; 1000; 3000; 5000 e 15000 hPa. O índice S foi determinado a partir dos parâmetros ajustados ao modelo de van Genuchten, e os atributos físicos do solo foram avaliados em função do esquema de rotação de culturas. Os dados foram submetidos à análise de variância (teste F) e suas médias comparadas pelo teste de Scott-Knott (5 % de probabilidade). As curvas de retenção de água (CRA) ajustadas a partir das tensões: 0; 100; 300; 1000 e 15000 hPa ou 0; 80; 300; 700 e ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Assess the degradation level imposed by the agricultural use has become essential to establish sustainable management practices to keep soil quality. The hypothesis of this study was that a Red Latosol (Oxisol), in summer crops sequences and winter crops sequences under no-tillage system of long duration, can have its physical quality and yield influenced according crop rotation. This study aimed to: i) determine the minimum number of tensions to determine the water retention curve (WRC) so accurately and in less time, ii) determine the index S and characterize soil attributes changes, and iii) verify the soil quality by the correlation between the index S and the soil physical attributes and crop yield. The experiment had a complete, in split block design with three replications. The summer crop sequences consisting the main plots were the following: MM - maize monocrop (Zea mays L.); SS - soybean monocrop (Glycine max L. Merrill); SM - soybean/maize rotation, both intercropped every other year; and RBC - rice/bean/cotton rotation, with rice (Oryza sativa L.), bean (Phaseolus vulgaris L.) and cotton (Gossypium hirsutum L.) in rotation. Winter crops consisted of maize, sunflower (Helianthus annuus L.), oilseed radish (Raphanus sativus L.), millet (Pennisetum americanum (L.) Leeke), pigeon pea (Cajanus cajan (L.) Millsp), grain sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) and sunn hemp (Crotalaria juncea L.). In each growing season, the same winter crop was sown in the same plot. Soil samples were collected at layers 0-0.1, 0.1-0.2, and 0.2-0.3 m. The water content was measured at tensions 0, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 200, 300, 500, 700, 1000, 3000, 5000 and 15000 hPa. The index S was determined from van Genuchten equation parameters and soil physical attributes were evaluated according crop rotation. Variance analysis for data was considered for statistical procedures and the means were ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:33:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-01-27Bitstream added on 2014-06-13T18:45:39Z : No. of bitstreams: 1 jorge_rf_dr_jabo.pdf: 756534 bytes, checksum: 50e1dc7caa63768259f9a4b2311a51b1 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Avaliar o nível de degradação imposta pelo uso agrícola tornou-se fundamental para estabelecer estratégias de manejo sustentáveis que mantenham a qualidade dos solos. A hipótese desse trabalho foi a de que o Latossolo Vermelho argiloso, em sequências de culturas de verão e inverno sob sistema de semeadura direta de longa duração, pode ter sua produtividade e qualidade física influenciada segundo o esquema de rotação de culturas adotado. O presente estudo teve como objetivos: i) determinar o número mínimo de tensões para a determinação da curva de retenção de água no solo de maneira acurada e em menor tempo; ii) determinar o índice S e caracterizar as transformações nos atributos do solo e iii) verificar a qualidade do solo correlacionando o índice S com os atributos físicos do solo e com a produtividade das culturas. O delineamento utilizado foi o de blocos em faixas com três repetições. Os tratamentos foram constituídos pela combinação de dois fatores: quatro sequências de culturas de verão (milho em monocultura - MV; soja em monocultura - SV; rotação soja/milho - RT; e rotação arroz/feijão/algodão - AF); e sete culturas de inverno (milho; girassol; nabo forrageiro; milheto; guandu, sorgo e crotalária). As camadas de solo foram avaliadas nas profundidades de 0-0,1; 0,1-0,2; e 0,2-0,3 m. O conteúdo de água foi medido nas tensões de 0; 10; 20; 40; 60; 80; 100; 200; 300; 500; 700; 1000; 3000; 5000 e 15000 hPa. O índice S foi determinado a partir dos parâmetros ajustados ao modelo de van Genuchten, e os atributos físicos do solo foram avaliados em função do esquema de rotação de culturas. Os dados foram submetidos à análise de variância (teste F) e suas médias comparadas pelo teste de Scott-Knott (5 % de probabilidade). As curvas de retenção de água (CRA) ajustadas a partir das tensões: 0; 100; 300; 1000 e 15000 hPa ou 0; 80; 300; 700 e... / Assess the degradation level imposed by the agricultural use has become essential to establish sustainable management practices to keep soil quality. The hypothesis of this study was that a Red Latosol (Oxisol), in summer crops sequences and winter crops sequences under no-tillage system of long duration, can have its physical quality and yield influenced according crop rotation. This study aimed to: i) determine the minimum number of tensions to determine the water retention curve (WRC) so accurately and in less time, ii) determine the index S and characterize soil attributes changes, and iii) verify the soil quality by the correlation between the index S and the soil physical attributes and crop yield. The experiment had a complete, in split block design with three replications. The summer crop sequences consisting the main plots were the following: MM – maize monocrop (Zea mays L.); SS – soybean monocrop (Glycine max L. Merrill); SM – soybean/maize rotation, both intercropped every other year; and RBC – rice/bean/cotton rotation, with rice (Oryza sativa L.), bean (Phaseolus vulgaris L.) and cotton (Gossypium hirsutum L.) in rotation. Winter crops consisted of maize, sunflower (Helianthus annuus L.), oilseed radish (Raphanus sativus L.), millet (Pennisetum americanum (L.) Leeke), pigeon pea (Cajanus cajan (L.) Millsp), grain sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) and sunn hemp (Crotalaria juncea L.). In each growing season, the same winter crop was sown in the same plot. Soil samples were collected at layers 0-0.1, 0.1-0.2, and 0.2-0.3 m. The water content was measured at tensions 0, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 200, 300, 500, 700, 1000, 3000, 5000 and 15000 hPa. The index S was determined from van Genuchten equation parameters and soil physical attributes were evaluated according crop rotation. Variance analysis for data was considered for statistical procedures and the means were ... (Complete abstract click electronic access below)

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Knowledge of the physical and hydraulic properties of the soil and its spatial dependence is important because it allows you to perform the zoning of the area in plots that receive differentiated management. This work was divided into three chapters whose general objective is to measure the hydraulic conductivity and water retention curve in soil by different methods and by using the Kriging, draw maps of soil physical attributes of the Irrigation Perimeter Baixo AcaraÃ. To obtain the water retention in soil curve method was used filter paper compared to the traditional method in five different soils Perimeter. To measure the hydraulic conductivity were used capacitive sensors to replace the tensiometer in the instantaneous profile installed method on a Argissolo Vermelho Amarelo eutrÃfico , as well as the calibration of these sensors in the field and laboratory. The maps were obtained by kriging of soil properties: sand, silt, clay, soil and particle density, porosity and saturated hydraulic conductivity. To obtain this last the tension infiltrometer and the constant load permeameter were used. / O conhecimento dos atributos fÃsico-hÃdricos do solo e de sua dependÃncia espacial à importante, pois permite realizar o zoneamento da Ãrea em glebas que receberÃo prÃticas de manejo diferenciadas. Este trabalho foi dividido em trÃs capÃtulos cujo objetivo geral à medir a condutividade hidrÃulica e a curva de retenÃÃo de Ãgua no solo por diferentes mÃtodos e, utilizando a Krigagem, elaborar mapas de atributos fÃsicos dos solos do PerÃmetro Irrigado Baixo AcaraÃ. Para obtenÃÃo da curva de retenÃÃo de Ãgua no solo foi utilizado o mÃtodo do papel filtro em comparaÃÃo ao mÃtodo tradicional em cinco diferentes solos do PerÃmetro. Para medida da condutividade hidrÃulica foram utilizados sensores capacitivos em substituiÃÃo aos tensiÃmetro no mÃtodo do perfil instantÃneo instalado em um Argissolo Vermelho Amarelo eutrÃfico, como tambÃm a calibraÃÃo desses sensores em campo e laboratÃrio. Os mapas obtidos atravÃs da Krigagem foram dos atributos do solo: areia, silte, argila, densidade do solo e partÃculas, porosidade e condutividade hidrÃulica saturada. Para obtenÃÃo deste ultimo foram utilizados o infiltrÃmetro de tensÃo e o permeÃmetro de carga constante.

A laboratory test program was conducted to determine the moisture-suction relationships of geosynthetic clay liners (GCLs). Moisture-suction relationships were determined by combining suction data from pressure plate tests, contact filter paper tests, and relative humidity tests, then fitting water retention curves (WRCs) to the data. WRCs were determined for wetting processes and drying processes in terms of gravimetric moisture content and volumetric moisture content. The effects of GCL type, hydration solution, wet-dry cycles, and temperature on the moisture-suction relationships were analyzed. The three GCLs of the test program consisted of configurations of woven and nonwoven geotextiles reinforced with needlepunched fibers. A geofilm was adhesively bonded to the nonwoven side of one of the GCL products. The hydration solution tests involved hydrating GCLs with deionized water, tap water, 0.1 M CaCl2, or soil water from a landfill cover test plot for a 30-day conditioning period prior to testing. Cyclic wet-dry tests were conducted on the GCL specimens subjected to 20 wet-dry cycles from 50% to 0% gravimetric moisture content prior to testing. Temperature tests were conducted at 2°C, 20°C, and 40°C. GCL type affected moisture-suction relationships. The GCLs with an adhesively-bonded geofilm exhibited lower air-entry suction and higher residual suction than GCLs without a geofilm. The degree of needlepunched fiber pullout during hydration contributed to hysteresis between wetting WRCs and drying WRCs. Hysteresis was high for suction values below air-entry suction and was low for suction values greater than air-entry suction. Cation exchange reduced the water retention capacity for all three GCL types. The saturated gravimetric moisture contents were reduced from approximately 140% to 70% for wetting WRCs and 210% to 90% for drying WRCs for GCLs hydrated in deionized water compared to CaCl2 solution. Hysteresis of the nonwoven product decreased from 71%, to 62%, to 28% with respect to deionized water, tap water, and CaCl2 solution. Hysteresis of the woven product exposed to soil water was 24% and 0%, in terms of saturated gravimetric moisture content and saturated volumetric moisture content, respectively. The swell index, Atterberg Limits, mole fraction of bound sodium, and scanning electron microscopy images that were determined of bentonite from the conditioned GCLs indicated that changes in water retention capacity corresponded with cation exchange. Wet-dry cycles and temperature affected the moisture-suction behavior for GCLs. Wet-dry cycles reduced hysteresis and increased the swelling capacity of GCL specimens. Microscopy images indicated that wet-dry cycles caused weak orientation of the clay particles. Increasing temperature resulted in a small decrease in water retention capacity. Results of the test program provided a means for predicting unsaturated behavior for GCLs.

>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.