Avaliação de metodologias para obtenção dos parâmetros do modelo de Green-Ampt modificado por Mein e Larson

Abstract

Os modelos de infiltração embasados em princípios físicos são uma importante ferramenta a ser utilizada na modelagem hidrológica. O modelo de Green-Ampt é uma dessas ferramentas que vem sendo usada em diversas áreas relacionadas ao assunto. Entretanto, a adequação de seus parâmetros a solos brasileiros ainda precisa ser melhor estudada. Este trabalho teve por objetivo avaliar diferentes proposições de determinação dos parâmetros (umidade de saturação, θ s ; condutividade hidráulica, K e potencial matricial na frente de umedecimento, ψ f ) do modelo de Green-Ampt modificado por Mein e Larson (GAML) e sua aplicabilidade a diferentes condições de perfis homogêneo e heterogêneo de solo. O experimento foi conduzido em oito colunas de solo montadas com combinações distintas de horizontes (A, B e C) e massa específica (1,03 g/cm 3 e 1,23 g/cm 3 ), sendo seis colunas com perfil homogêneo e duas com perfil estratificado, sob condições de precipitação constante. Determinaram as características físico-hídricas dos solos das colunas necessárias à aplicação do modelo de GAML e, por meio da técnica chamada de “Time Domain Reflectometry” (TDR), foi possível determinar o avanço da frente de umedecimento a partir da qual foram determinadas a infiltração acumulada (Ia) e a taxa de infiltração (Ti). Os valores da umidade na zona de transmissão (θ w ), determinada ao final dos testes de infiltração, variaram de 0,76 a 0,94 da porosidade, dependendo da textura e da massa específica em questão. Esses valores foram usados como um dos parâmetros de entrada no modelo GAML. Curvas de avanço da frente de umedecimento, de infiltração acumulada e de taxa de infiltração foram simuladas usando o modelo GAML com 36 combinações de proposições para correção de Kw e ψ f . Os resultados simulados e experimentais foram comparados, usando-se coeficientes estatísticos e análise gráfica. Também foram comparados os tempos correspondentes ao início do escoamento superficial determinados experimentalmente e simulados. Não foi encontrada uma única combinação de proposições que melhor representasse todos os casos. No entanto, o uso da condutividade hidráulica (K w ) sendo igual a taxa de infiltração básica (Tib) e o do potencial matricial (ψ f ) calculado em função da textura e da porosidade do solo, fez com que o modelo GAML simulasse bem o processo de infiltração em solos com perfil de massa específica homogênea. Outra combinação que merece destaque é o uso de K w igual à condutividade hidráulica do solo saturado (K 0 ), determinada pelo método do permeâmetro de carga constante, associado ao potencial matricial (ψ f ) correspondente à umidade na zona de transmissão, que representou muito bem as curvas de infiltração obtidas nas colunas com perfil homogêneo dos horizontes A e B, para as duas condições de compactação. De modo geral, quando os parâmetros de entrada do modelo de GAML são bem determinados, o mesmo pode ser usado para a estimativa do processo de infiltração, em solos homogêneos. Em solos heterogêneos, o modelo foi sensível às variações físico-hídricas do perfil do solo, mas não foi preciso em estimar o tempo de ocorrência das mudanças na taxa de infiltração devido à estratificação do solo.

The infiltration models based on physical principles are important tools to be used on the hydrological modeling. The Green-Ampt model is one of these tools that has been being used in different areas related to the subject. However, the adequacy of its parameters to Brazilian soils still needs to be better studied. This work’s objective is to evaluate the different propositions of parameters determination (saturation humidity, q s ; hydraulic conductivity, K and matrix potential before humidification, y f ) of the Green-Ampt model modified by Mein and Larson (GAML) and its applicability to different conditions of homogeneous and heterogeneous soil profiles. The experiment was carried out in eight columns of soil mounted with different horizons combinations (A, B and C) and specific mass (1.03 g/cm 3 and 1.23 g/cm 3 ), being six of the columns with homogeneous profile and two of them with stratified profile, under constant precipitation conditions. The physical-hydric characteristics of the columns soils needed to the GAML model application were determined, and through the technique called “Time Domain Reflectometry” (TDR), it was possible to determine the advancement of the humidification front from which the accumulated infiltration (Ia) and the infiltration rate (Ti) were determined. The humidity value on the transmission zone (θ w ), determined at the end of the infiltration tests, varied from 0.76 to 0.94 of porosity, depending on the texture and on the specific mass in question. These values were used as one of the entrance parameters into the GAML model. Advancement curves of the humidification front, of the accumulated infiltration, and of the infiltration rate were simulated using the GAML model with 36 propositions combinations for the correction of Kw and ψ f . The simulated and experimental results were compared using statistic coefficients and graphic analyses. The times correspondent to the beginning of the superficial drainage experimentally determined and simulated were also compared. A sole combination of proposition that better represented all the cases was not found. However, the use of hydraulic conductivity (K w ) as being equals to the basic infiltration rate (Tib) and to the matrix potential (ψ f ) calculated in relation to the texture and porosity of the soil, made the GAML model simulate well the infiltration process on soils with profile of homogeneous specific mass. Another combination that deserves to be highlighted is the use of Kw equals to the hydraulic conductivity of the saturated soil (K 0 ), determined by the constant charge permeameter method, associated to the matrix potential (ψ f ) correspondent to the transmission zone humidity, that represented very well the infiltration curves obtained on the columns with homogeneous profile of the A and B horizons, for both compactness conditions. In general, when the entrance parameters of the GAML model are well determined, it can be used for the estimate of the infiltration process in homogenous soils. In heterogeneous soils the model was sensitive to the physical-hydric variations of the soil profile, but it was not necessary to estimate the occurrence time of changes on the infiltration rate due to the soil stratification.