Modelagem física e numérica da infiltração e escoamento em superfícies não saturadas e com cobertura vegetativa

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.