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Tipo: Dissertação
Título: Simulação do transporte de potássio e fósforo no solo por meio de soluções analíticas e numéricas
Simulation of transport of potassium and phosphorus in the soil by means of analytical and numerical solutions
Autor(es): Alves, Ícaro Tourino
Abstract: O movimento de solutos no solo depende de fatores relacionados às propriedades do meio poroso e suas interações, as propriedades do líquido percolante e as condições ambientais que influenciam nos parâmetros de transporte dos solutos. Os parâmetros usualmente obtidos para a compreensão dos processos envolvidos no deslocamento de um íon no solo são: a velocidade da água nos poros, o fator de retardamento, o coeficiente de dispersão e a dispersividade. O método mais comum de calculá-los é por meio do ajuste dos modelos teóricos aos dados experimentais obtidos em laboratório; para o ajuste são empregados programas computacionais como o DISP e o HYDRUS 1- Dque além de ajustar os parâmetros, são capazes de executar simulações para a variação espacial e temporal da concentração e do balanço de massa de solutos no perfil do solo.Diante do exposto, objetivou-se neste trabalho obter os parâmetros de transporte de potássio e fósforo, simular o deslocamento destes íons no solo utilizando programas computacionais (DISP e HYDRUS 1-D) e comparar a dados experimentais obtidos em colunas de dois diferentes solos com auxílio da TDR.A pesquisa foi conduzida em cinco etapas: A primeira etapa foi a coleta de dados relativos aos solos estudados em laboratório, um Latossolo Vermelho distrófico (LVd) e um Neossolo Quartzarênico órtico (NQo). Na segunda etapa confeccionou-se as colunas de solo e realizou-se um experimento para obter as curvas de eluição de potássio e fósforo variando o fluxo da solução que passa através dessas colunas de solo. Constatou-se que não houve variação significativa da condutividade hidráulica, com a variação da carga hidráulica e conquentemente do fluxo em ambos os solos. No LVd os fluxos variaram entre 27,56 a 36,19 cm h-1 quando aplicado potássio (K), e 27,41 a 34,72 cm h-1 quando aplicado fósforo (P). No NQo os fluxos variaram entre 37,04 a 45,31 cm h-1 quando aplicado potássio (K), e 38,36 a 45,05 cm h-1 quando aplicado fósforo (P). Na terceira etapa determinou-se os parâmetros de transporte por meio de soluções analíticas utilizando-se o programa computacional DISP. No LVd observou-se um maior retardamento na solução de potássio em relação a solução de fósforo, o que pode ser explicado pela concentração de fósforo na solução deslocadora ser muito superior a de potássio, saturando rapidamente a capacidade adsorção deste solo. Frente a isso, observou-se valores muito elevados do coeficiente dispersivo-difusivo, da dispersividade e do coeficiente de partição na solução de potássio, porém não houve diferença significativa com a variação das cargas hidráulicas em nenhuma das soluções deslocadoras. No NQo, comparando as soluções de potássio e fósforo, observou-se diferença significativa apenas quando utilizou-se carga hidráulica de 11 cm nas colunas, no fator de retardamento e no coeficiente de partição. Já em relação ao coeficiente dispersivo- difusivo e a dispersividade, observou-se diferença significativa quando utilizou-se as cargas hidráulicas de 8 cm e 11 cm nas colunas. Comparando-se cargas hidráulicas diferentes na mesma solução deslocadora, observou-se que não houve diferença significativa com a variação das cargas hidráulicas em nenhuma das soluções deslocadoras para o coeficiente dispersivo-difusivo e a dispersividade, enquanto que, para o fator de retardamento e o coeficiente de partição, observou-se diferença significativa somente quando aplicou-se a carga hidráulica de 14 cm, tanto na solução de potássio quanto na de fósforo, o que indica um menor retardamento. Na quarta etapa realizou-se um segundo experimento, onde foram feitos testes de lixiviação em colunas com os mesmos solos (LVd e NQo) para se obter as concentrações de K e P em diferentes profundidades ao longo do tempo. Foram aplicadas as soluções deslocadoras durante 1 hora. Comparando a movimentação do íon potássio em relação ao fósforo no Latossolo Vermelho distrófico, após 15 min aplicando as soluções deslocadoras, verifica-se a 5 cm de profundidade, uma concentração relativa maior de potássio na solução do solo, cerca de 0,6 enquanto para o fósforo chegou em torno de 0,53. Decorridos 30 min, à 15 cm de profundidade verifica-se uma concentração relativa de 0,25 para o potássio e 0,15 para o fósforo. Após 45 min, à 25 cm de profundidade a concentração relativa de potássio chegou a 0,1 e no fósforo a 0,03. Observa-se apenas no início dos testes uma facilidade maior do íon potássio movimentar-se no solo, principalmente na frente de avanço da solução deslocadora. Após cerca de 40 minutos aplicando as soluções deslocadoras, observa-se que a camada mais superficial já está mais próxima da saturação do íon fósforo, devido a uma concentração maior de P na solução deslocadora, e partir daí nesta camada, a concentração de fósforo na solução do solo passa a ser maior em relação ao potássio.Analisando a movimentação do íon potássio em relação ao fósforo no Neossolo Quartzarênico órtico, verifica-se uma movimentação um pouco menor, já nos primeiros minutos, prevalescendo até o final do teste, podendo ser explicado pela capacidade de adsorção do NQo ser menor do que a do LVd, saturando-o a fração sólida mais rápido. Comparando-se os deslocamentos do potássio e do fósforo nos dois solos observa-se uma movimentação muito maior no NQo, resultado já esperado em função da textura do solo. Na quinta e última etapa utilizou-se os parâmetros de transporte obtidos no DISP para simular o deslocamento dos solutos no próprio programa, e no programa computacional HYDRUS 1-D e comparar com os resultados comos obtidos experimentalmente, além da comparação das simulações entre os dois programas. Utilizando os parâmetros de transporte determinados por soluções analíticas (DISP), pode-se concluir que as simulações do transporte de solutos por meio dos programas computacionais DISP e HYDRUS 1-D apresentaram ótima correlação em relação aos valores encontrados experimentalmente, assim como quando comparado entre os dois programas. Os programas computacionais DISP e HYDRUS 1-D se mostraram como boas opções de ferramentas de simulações da movimentação de íons no solo, podendo-se inclusive ser estudados em conjunto para futuras pesquisas.
The solutes movement in soil depends on factors related to the properties of the porous medium and their interactions, the properties of the percolating liquid and environmental conditions that influence the solute transport parameter. The parameters usually obtained for the understanding of the processes involved in the displacement of an ion in the soil are: the speed of the water in the pores, the retardation factor, the coefficient of dispersion-diffusion. The most common method of calculating them is through the adjustment of theoretical models to experimental data obtained in the laboratory; for adjustment are used software DISP and HYDRUS 1-D which in addition to adjusting the parameters, are able to run simulations for the spatial and temporal variation of concentration and solute mass balance in the soil profile. In this light, the aim of this work was to obtain potassium and phosphorus transport parameters, simulate the movement of these ions in the soil using software (DISP and HYDRUS 1-D) and compare with experimental data obtained in two different soil columns aid of TDR. The research was conducted in five stages: The first stage was the collection of data on soils studied in the laboratory, an Oxisol (clay soil) and a Dystric Quartzarenic Neosol (sandy soil). The second step is fashioned soil columns, and made an experiment to obtain the potassium and phosphorus elution curves varying the flow of solution passing through these soil columns. It was found that there was no significant variation in the hydraulic conductivity with variation of the hydraulic load and consequently the flow in both soils. In clay soil flows the varied between 27.56 the 36.19 cm h-1 when applied potassium (K), and 27.41 the 34.72 cm h-1 when applied phosphorus (P). In sandy soil flows ranged between 37.04 h the 45.31 cm-1 when applied potassium (K), and 38.36 the 45.05 cm h-1 when applied phosphorus (P). In the third stage it was determined transport parameters by means of analytical solutions using the software DISP. In clay soil observed a greater delay (retardation factor) in the solution of potassium relative to phosphorus solution, which can be explained by the phosphorus concentration in the solution is much greater than the displacer potassium, rapidly saturating the adsorption capacity of the soil. Because of that, there were very high values of the dispersive- diffusion coefficient (D), in the dispersivity (λ) and in the partition coefficient (Kd) in potassium solution, but there was no significant difference in the variation of hydraulic loads in any of the displacer solutions. In sandy soil comparing the potassium and phosphorus solutions, there was a significant difference only when we used hydraulic load of 11 cm in the columns, the retardation factor and the partition coefficient. In relation to the dispersive-diffusion coefficient and dispersivity, there was significant difference when we used the hydraulic loads of 8 cm and 11 cm in columns. Comparing different hydraulic loads in the same displacer solution, it was observed that there was no significant difference in the variation of the hydraulic loads in any of the displacer solutions to the dispersive-diffusion coefficient and dispersivity, while for the retardation factor and partition coefficient, there was a significant difference only when applied to hydraulic load of 14 cm in both potassium solution as in the match, which indicates a smaller delay (retardation factor). In the fourth step was performed a second experiment where leaching tests were made in columns with the same soil (clay soil and sandy soil) to give concentrations of K and P at different depths over time. The displacer solutions were applied for 1 hour. Comparing the movement of potassium ions in relation to the phosphorous in clay soil, after 15 min by applying the displacer solutions, it appears to 5 cm deep, a greater relative concentration of potassium in the soil solution, about 0.6 while for the match came around 0.53. After 30 min at 15 cm depth there is a relative concentration of 0.25 to 0.15 for potassium and phosphorous. After 45 min at 25 cm depth relative to the potassium concentration reached 0.1 to 0.03, and phosphorus. It is observed only at the beginning of testing greater ease of potassium ion to move on the ground, especially in front of the feed displacer solution. After about 40 minutes applying the displacer solutions, it is observed that the most superficial layer is now closer to the phosphorus ion saturation due to a greater concentration of P in the displacer solution, and thereafter this layer, the concentration of phosphorus in soil solution becomes higher compared to potassium. Analyzing the changes in the potassium ion relative to the phosphorus in sandy soil, there is a slightly smaller drive, since the first minutes until the end of test, may be explained by adsorption capacity of the sandy soil be less than the clay soil, saturating it faster solid fraction. Comparing the potassium and phosphorus shifts in both soils observes a much larger movement in sandy soil, result to be expected depending on the soil texture.In the fifth and last step was used transport parameters obtained in DISP to simulate the movement of solutes in the software itself, and the software HYDRUS 1-D and compare the results with those obtained experimentally, and the comparison of the simulations between two programs. Using the transport parameters determined by analytical solutions (DISP), it can be concluded that the simulations of solute transport through the DISP and HYDRUS 1-D showed good correlation concerning the values found experimentally, and compared between the two programs. The software DISP and HYDRUS 1-D proved as good options tools simulations of the movement of ions in the soil, being able to even be studied together for future research.
Palavras-chave: Ciência do solo
Simulação por computador
Solos - Mobilidade iônica
Fósforo
Potássio
CNPq: Mecanização Agrícola
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Citação: ALVES, Ícaro Tourino. Simulação do transporte de potássio e fósforo no solo por meio de soluções analíticas e numéricas. 2015. 61f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2015.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.locus.ufv.br/handle/123456789/8338
Data do documento: 28-Dez-2015
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