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Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.unb.br/handle/10482/38174
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2019_ThiagoAugustoMendes.pdf18,58 MBAdobe PDFView/Open
Title: Modelagem física e numérica da infiltração e escoamento em superfícies não saturadas e com cobertura vegetativa
Authors: Mendes, Thiago Augusto
Orientador(es):: Rebolledo, Juan Félix Rodriguez
Coorientador(es):: Gitirana Junior, Gilson de Farias Neves
Assunto:: Coeficiente de escoamento superficial do solo
Solos não saturados
Interação Solo-Atmosfera-Vegetação
Simulador de chuva
Issue Date: 25-Jun-2020
Citation: MENDES, Thiago Augusto. Modelagem física e numérica da infiltração e escoamento em superfícies não saturadas e com cobertura vegetativa. 2019. xxvi, 255 f., il. Tese (Doutorado em Geotecnia)—Universidade de Brasília, Brasília, 2019.
Abstract: Entender o dinamismo entre as interações hidrológicas e agrogeotécnicas, representadas pelo coeficiente de escoamento superficial, C, é extremamente importante e necessário para compreensão dos fenômenos de infiltração, percolação e escoamento superficial, principalmente quando existe a presença da cobertura vegetativa. Adoções equivocadas de C com base em julgamento pessoal (a partir de tabelas e ábacos previamente desenvolvidos para outras áreas e tipos de solo e cobertura), ao invés de dados de campo (modelos físicos) para estimativa de vazões de pico, podem ser preocupantes do ponto de vista do tempo de resposta, ainda pouco estudada quando se trata de presença vegetativa. Sendo assim, esta pesquisa apresenta como foi desenvolvido o modelo numérico capaz de representar e subsidiar a construção do modelo físico (simulador de chuva) para estudos hidrogeotécnicos aplicados a solos regionais goianos com e sem cobertura vegetativa do tipo gramínea (Paspalum notatum), considerando sua calibração e verificação. Apresenta também como foram as etapas de planejamento, projeto, forma de operação, escolha e uso de sensores e aplicabilidade do modelo físico, finalizando com calibração do equipamento (simulador de chuva, SC). Os resultados sobre o modelo numérico permitiram identificar que o mecanismo de escoamento superficial no SC possui três estágios com significado físico claro, apresentando valor de escoamento superficial do ponto central das amostras aproximadamente igual ao valor médio obtido a partir dos dois pontos das bordas. O efeito da espessura e grau inicial de saturação das amostras são perceptíveis, ou seja, a espessura afeta os tempos de equilíbrio das amostras como resultado de caminhos de movimento de umidade mais longos. Já o grau inicial de saturação, por outro lado, controla a condutividade hidráulica insaturada inicial e média. Os erros numéricos consideram o processo de calibração e foram satisfatórios, indicando índice de erro RMSE máximo de 0,29 e 0,11 para a modelagem com e sem consideração do efeito da cobertura vegetativa, respectivamente. Com relação ao modelo físico, possibilitou a geração de chuvas simuladas a qualquer tempo com características próximas às chuvas naturais, como: uniformidade, apresentando CUC maiores que 70%; distribuição do tamanho de gotas de chuvas, ou seja, número maior de produção de gotas de chuvas entre 2,0 e 2,5 mm; intensidade pluviométricas entre 86,0 a 220,0 mm h-1; velocidade e energia cinética potencialmente maiores que as produzidas por chuvas naturais (150%) para avaliação do solo não saturado com e sem cobertura vegetativa. Em especial, foi possível obter dados de interceptação para a espécie gramínea (Paspalum notatum) muito utilizada em obras civis (hídricas e geotécnicas) e na agronomia, girando em torno de 8,0 mm para chuvas de intensidades pluviométricas de até 86,0 mm h-1, inclinações menores que 15º e altura da gramínea de 30 cm. Por fim, o diferencial desta pequisa está no desenvolvimento de uma robusta ferramenta numérica, utilizando o software FlexPDE, capaz de considerar e representar adequadamente aos fenômenos físicos hidrológicos e geotécnicos monitorados a partir da invenção do simulador de chuva, envolvendo diferentes cenários de entrada, como: geometria e inclinação da amostra, intensidade pluviométrica, curva característica solo-água, permeabilidade saturada do solo e cobertura vegetativa, além de possibilitar o universo de aplicação para outras áreas, processos ou temas de interesse.
Abstract: Understanding the dynamism between hydrological and agrogeotechnical interactions, represented by the surface runoff coefficient, C, is extremely important and necessary to comprehend the infiltration, percolation and runoff phenomena, especially when there is the presence of vegetative cover. Misconceptions of C may be concerned, when based on personal judgment only (from tables and abacuses previously developed for other areas and soil types and coverage), rather than field data (physical models) for estimating peak flows. It happens just because of the response time, still little studied when it comes to vegetative presence. Thus, this scientific research shows how the numerical model, capable of representing and supporting the construction of the physical model (rain simulator), was developed for hydrogeotechnical studies applied to Goias regional soils with and without grass cover (Paspalum notatum), considering its calibration and verification. This study also presents the stages of planning, design, operation, choice, and use of sensors, as well as the applicability of the physical model, ending with equipment calibration (rain simulator, RS). The results on the numerical model allowed us to identify that the surface runoff mechanism in the RS has three stages with clear physical significance, presenting surface runoff value of the central point of the samples approximately equal to the mean value obtained from the two edge points. The effect of the thickness and the initial degree of saturation of the samples are noticeable. It means the thickness affects the equilibrium times of the samples as a result of longer humidity movement paths. The initial degree of saturation, on the other hand, controls the initial and the average unsaturated hydraulic conductivity. Numerical errors consider the calibration process and were satisfactory, indicating a maximum RMSE (Root of Mean Square Error) error-index of 0.29 and 0.11 for modeling with and without consideration of the vegetative cover effect, respectively. Regarding the physical model, it allowed the generation of simulated rainfall at any time with characteristics close to natural rainfall, such as uniformity, presenting CUC (Christiansen’s Uniformity Coefficient) greater than 70%; rain droplet size distribution, it means larger number of rain droplet production between 2.0 and 2.5 mm; rainfall intensity between 86.0 to 220.0 mm h-1; velocity and kinetic energy potentially higher than those produced by natural rainfall (150%), both considered to evaluate unsaturated soil with and without vegetative cover. In particular, it was possible to obtain interception data for the grass species (Paspalum notatum) widely used in civil works (water and geotechnical) and in agronomy, revolving around 8.0 mm for rainfall of up to 86.0 mm h-1, slopes less than 15º and grass height of 30 cm. Finally, the differential of this study is the development of a robust numerical tool, using FlexPDE software, able to properly consider and represent the hydrological and geotechnical physical phenomena monitored from the invention of the rain simulator, involving different input scenarios, such as sample geometry and slope, rainfall intensity, soil-water characteristic curve, saturated soil permeability and vegetative cover, as well as enabling the universe of application to other areas, processes or topics of interest.
Description: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2019.
Licença:: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Appears in Collections:ENC - Doutorado em Geotecnia (Teses)

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