CONTRIBUINTES

Por que o _Kfs é um problema

A condutividade hidráulica saturada, ou a capacidade do solo de absorver água, tem sido tradicionalmente uma medição complexa para os cientistas. As medições imprecisas da condutividade hidráulica saturada (_Kfs) em campo são comuns devido a erros na estimativa de alfa específico do solo e ao amortecimento inadequado do fluxo tridimensional. O fluxo tridimensional significa que a água se infiltra no solo em três dimensões; ela se espalha lateralmente e também para baixo. O problema é que o valor que representa a condutividade hidráulica saturada, _Kfs, é um valor unidimensional. Os pesquisadores usam o _Kfs na modelagem como base para a tomada de decisões, mas, para obter esse valor, eles precisam primeiro remover os efeitos do fluxo tridimensional.

Estimativa - uma proposta arriscada

O método tradicional para remover os efeitos do fluxo tridimensional é examinar uma tabela de valores alfa ou o comprimento capilar macroscópico do solo. Porém, como o alfa é apenas uma estimativa do efeito de sorção, ou o quanto o solo puxará a água lateralmente, o risco de imprecisão é alto. E se um pesquisador ou engenheiro escolher o valor alfa errado, sua estimativa poderá ser significativamente incorreta.

Para contornar esse problema, os pesquisadores às vezes medem o _Kfs com um infiltrômetro de anel duplo (Figura 2), um método simples em que o anel externo tem a finalidade de limitar a propagação lateral da água após a infiltração e amortecer o fluxo tridimensional. No entanto, um infiltrômetro de anel duplo não amortece perfeitamente o fluxo tridimensional (Swartzendruber D. e T.C. Olson 1961a). Portanto, se os pesquisadores operarem com a suposição de que estão obtendo fluxo unidimensional no anel central, eles poderão superestimar os valores de condutividade saturada de campo. Isso pode ser desastroso, principalmente quando se trabalha com um solo que foi projetado para ter uma permeabilidade muito baixa. Se o _Kfs for superestimado, um pesquisador ou engenheiro poderá presumir incorretamente que a cobertura de um aterro sanitário (por exemplo) é ineficaz (_Ks é superior a ^10-5 cm ^s-1), quando, na realidade, ele superestimou o _Kfs e a cobertura é realmente compatível.

_Kfs-solved

O SATURO elimina o problema de estimativa/suposição automatizando o método de cabeça dupla bem estabelecido. Ele coloca água no topo do solo e usa a pressão do ar para criar duas cabeças de pressão diferentes. A medição da infiltração nessas duas cabeças de pressão diferentes evita a necessidade de estimar o fator alfa, permitindo que os pesquisadores determinem a condutividade hidráulica saturada do campo sem fazer nenhuma suposição. Além disso, o SATURO usa muito menos água porque não requer um grande anel externo como um infiltrômetro de anel duplo. Essa abordagem automatizada economiza tempo e reduz os erros na avaliação da condutividade hidráulica. A seção teórica a seguir explica em detalhes por que isso é possível.

Veja como as leituras do SATURO se comparam com as leituras do infiltrômetro de anel duplo

No vídeo abaixo, o Dr. Gaylon S. Campbell ensina os conceitos básicos de hidrologia e a ciência por trás do infiltrômetro de cabeça dupla automatizado SATURO . Neste webinar de 30 minutos, aprenda:

• O que é condutividade hidráulica?
• Meios porosos
• O que determina a condutividade hidráulica
• Por que você deve se preocupar com a condutividade hidráulica
• Como a condutividade hidráulica é medida?
• Instrumentos de laboratório
• Instrumentos de campo
• O método por trás do SATURO: infiltrômetro de cabeça dupla
• Comparação: Métodos de anel duplo e de cabeça dupla SATURO

SATURO: Por que é mais preciso

Condutividade hidráulica saturada do campo, K_fs (cm/s) é uma propriedade hidráulica fundamental do solo que descreve a facilidade com que um fluido (geralmente água) pode se mover através de espaços porosos ou fraturas em condições saturadas de campo. Um dos métodos mais antigos e mais simples para a determinação in situ de K_fs envolveu a medição da infiltração em lagoas(D) de dentro de um único anel (com um raio b) empurrado a uma pequena distância no solo(d) (Figura 1). A análise original usou a taxa de fluxo constante medida, Qs (cm3/s) e assumiu um fluxo vertical unidimensional para obter K_fs de Bouwer (1986) e Daniel (1989).

Essa abordagem superestimou o K_fs devido à divergência lateral do fluxo resultante da capilaridade do solo não saturado e do acúmulo de água no anel (Bouwer 1986). As tentativas de eliminar a divergência de fluxo envolveram a adição de um anel externo para amortecer o fluxo no anel interno (Figura 2). No entanto, a técnica do infiltrômetro de anel duplo foi ineficaz para evitar o fluxo lateral do anel interno (Swartzendruber e Olson 1961a, 1961b).

Pesquisas mais recentes fornecem novos métodos para corrigir o fluxo lateral. Reynolds e Elrick (1990) apresentaram um novo método de análise de infiltração estável em um único anel, que leva em conta a capilaridade do solo, a profundidade do lago, o raio do anel(b) e a profundidade de inserção do anel(d) e fornece um meio de calcular K_fso fluxo matricial(φm) e o comprimento capilar macroscópico(∝). Essa análise é conhecida como a abordagem da cabeça de dois pontões (Reynolds e Elrick 1990).

A abordagem da cabeça de dois pontões é a técnica usada por SATURO, embora com algumas modificações e simplificações. A equação mais simples para esse cálculo é a de Nimmo et al. (2009). Eles calculam K_fs conforme mostrado na Equação 1.

em que i ( cm/s) é a taxa de infiltração estável (final) (volume dividido pela área) e F é uma função que corrige a sorção e os efeitos geométricos.

Nimmo et al. (2009) fornece F conforme mostrado na Equação 2

onde

• D é a profundidade do lago (cm)
• d é a profundidade de inserção do infiltrômetro (cm)
• b é o raio do infiltrômetro (cm)
• ∆ é a constante para uma determinada geometria do infiltrômetro; C₁d + C₂b (cm)
• C₁ é 0,993
• C₂ é de 0,578
• λ é o recíproco do Gardner ∝, que é uma característica do solo e seu conteúdo inicial de água (cm)

Na Equação 2, ∆ é simplesmente a Equação 36 de Reynolds e Elrick (1990) multiplicada por bπ, o que permite que a Figura 2 e a Equação 2 sejam reconciliadas com a Equação 37 de Reynolds e Elrick (1990).

Para duas profundidades de lagoa, use a Equação 3:

Rearranjando um dos termos corretos para resolver λ em termos de K_fssubstituindo-o por λ no outro termo à direita e simplificando, obtém-se

onde

• D₁ é a altura real de alta pressão
• D₂ é a cabeça de baixa pressão real
• ∆ é 0,993d + 0,578b (cm)
• i₁ é a taxa de infiltração na cabeça de alta pressão
• i₂ é a taxa de infiltração na cabeça de baixa pressão

Para ∆ , d é a profundidade de inserção do infiltrômetro e b é o raio do infiltrômetro. Para o anel de inserção de SATURO, 5 cm, d = 5 cm e b = 7,5 cm, portanto ∆ = 9,3 cm. Para o anel de inserção de 10 cm, d = 10 cm e b = 7,5 cm, de modo que ∆ = 14,3 cm.

A condutividade hidráulica é então multiplicada pela diferença na taxa de infiltração de estado quase estável do último ciclo de pressão e dividida pela diferença na cabeça de pressão medida do último ciclo de pressão.

A Equação 4 é equivalente à Equação 41 de Reynolds e Elrick (1990) e elimina a dependência das características do solo e do conteúdo inicial de água descrito por λ.

Economize horas de trabalho manual tedioso

O SATURO combina automação e análise de dados simplificada em um único sistema. Ele calcula até mesmo as taxas de infiltração e a condutividade hidráulica saturada do campo em tempo real. O SATURO torna a vida um pouco mais fácil para aqueles que precisam de uma maneira mais rápida e precisa de medir _Kfs no campo.

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Referências

1. Bouwer H. 1986. Taxa de entrada: Infiltrômetro de cilindro. Em Klute A., editor, Methods of soil analysis: Part 1-Physical and Mineralogical Methods. 2ª edição. Madison (WI): ASA e SSSA. 825-844.(Link do artigo)
2. Dane JH e Topp GC, editores. 2002. Methods of soil analysis (Métodos de análise do solo): Part 4-Physical Methods. Madison (WI): Soil Science Society of America Inc.(link)
3. Daniel DE. 1989. Testes de condutividade hidráulica in situ para argila compactada. J. Geotech. Eng. 115(9).(Link do artigo)
4. Nimmo JR, Schmidt KM, Perkins KS e Stock JD. 2009. Rapid measurement of field saturated hydraulic conductivity for areal characterization (Medição rápida da condutividade hidráulica saturada em campo para caracterização de áreas). Vadose Zone J. 8(1): 142-149.(Link do artigo)
5. Reynolds WD e Elrick DE. 1990. Infiltração em lagoas a partir de um único anel: I. Análise de fluxo constante. Soil Sci. Soc. Am. J. 54(5): 1233-1241.(Link do artigo)
6. Swartzendruber D e Olson TC. 1961. Estudo de modelo de areia dos efeitos de buffer no infiltrômetro de anel duplo. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 25(1): 5-8.(Link do artigo)
7. Swartzendruber D e Olson TC. 1961. Estudo de modelo do infiltrômetro de anel duplo conforme afetado pela profundidade de umedecimento e pelo tamanho das partículas. Soil Sci. 92(4): 219-225.(Link do artigo)

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