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Universidade Federal do Rio de Janeiro
ANÁLISE NUMÉRICA DE INFILTRAÇÃO EM CAMADA DE COBERTURA DE
ATERRO SANITÁRIO
Rafael Girardi D’Angelo
2016
ANÁLISE NUMÉRICA DE INFILTRAÇÃO EM CAMADA DE
COBERTURA DE ATERRO SANITÁRIO
Rafael Girardi D’Angelo
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Civil da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientadora: Maria Cristina Moreira Alves
Rio de Janeiro
Abril de 2016
iii
D’Angelo, Rafael Girardi
Análise numérica de infiltração em camada de cobertura de aterro sanitário / Rafael Girardi D’Angelo - Rio de Janeiro: UFRJ/ ESCOLA POLITÉCNICA, 2016.
XIII 89 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Maria Cristina Moreira Alves
Projeto de Graduação - UFRJ/ POLI/ Curso de Engenharia Civil, 2016
Referências Bibliográficas: p. 86-89
1. Camada de Cobertura 2. Aterro Sanitário 3. Infiltração 4. Análise Numérica I. Alves, Maria Cristina Moreira II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Civil III. Título.
iv
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à memória de dois familiares que partiram desse mundo
durante os meus anos de estudo na UFRJ. Meu avô Osório e minha bisa Philomena que
com certeza fazem muita falta aqui perto de nós.
Ambos me ensinaram de maneiras muito particulares que esta vida precisa ser
levada muito mais na calmaria do que no stress do dia a dia. Cada dia, eu percebo que a
grande virtude dos dois foi não deixar os problemas do cotidiano tomarem o prazer de
viver. Inúmeros foram os momentos alegres e repletos de gargalhadas na companhia
dos dois.
Deixo aqui a frase que meu avô proferiu, mostrando o seu humor costumeiro,
quando estava lutando para se recuperar de um período em que estava adoecido.
“Eu ainda vou dançar o rebolation!”
v
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço aos meus pais André e Angelica, por me darem a
liberdade de trilhar o meu próprio caminho, estando sempre presentes quando fosse
necessário. Todas as minhas conquistas se tornaram mais fáceis de serem alcançadas
pela segurança que ambos me passam ao confiarem na minha capacidade.
Agradeço também ao meu irmão, Bernardo, pela companhia do dia a dia. Os dias
se tornam muito mais alegres com as nossas boas e velhas brincadeiras e implicâncias.
Agradeço aos meus amigos do básico, que em apenas dois anos, conseguiram
marcar toda uma faculdade e quiçá toda a minha vida. Preciso confessar que as aulas
dos primeiros 4 períodos só foram suportáveis graças ao companheirismo, amizade e
carinho de todos vocês.
Faço um agradecimento especial: ao Flávio pelo companheirismo e a paciência
pelas conversas até altas horas; aos eternos companheiros de altas festas BK, Priscilla,
Anna e Ju; aos outros dois componentes do “trio ternura”, Thiago e Carol, por estarem
presentes nas horas boas e nas mancadas, sempre prontos para ajudar a um amigo; aos
amigos Kiki, Albino, Bruna, Rafa e Priscilla melhores companhias para torcer para
cachorrada do fundão.
Não posso deixar de agradecer aos colegas geotécnicos, professores e alunos
pelo apoio e pelas boas risadas nesse último ano de ênfase.
Muito obrigado a minha namorada Clarice pela paciência e pela força sem a qual
não teria capacidade de concluir este trabalho.
Um agradecimento especial a Tina, minha orientadora, por ter acreditado no
meu potencial, sempre me motivando a fazer o meu melhor. Este trabalho só é “muito
mais que um TCC”, como você gosta de dizer, pelo seu carinho e dedicação. Muito
obrigado a Camila, Régia, Maria Claudia e Alessandra por participarem da minha banca
engrandecendo e muito o meu trabalho com a suas ilustres presenças.
Finalmente, termino agradecendo aos meus eternos amigos: Nandinho,
Eduardo, Bruno, Felipe, Pedro, Carlos, Daniel e Charles. Vocês sempre farão parte da
minha vida. Viva o Broback!
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheira Civil.
ANÁLISE NUMÉRICA DE INFILTRAÇÃO EM CAMADA DE COBERTURA DE ATERRO
SANITÁRIO
Rafael Girardi D’Angelo
Abril de 2016
Orientador: Maria Cristina Moreira Alves
Curso: Engenharia Civil
A disposição de lixo em lixões não é mais uma opção viável para o meio ambiente. A
utilização de aterros sanitários apresenta como grande vantagem a mitigação dos
impactos ambientais através do controle de geração do lixiviado e do biogás. O fluxo de
água pela camada de cobertura é um dos fatores condicionantes da geração desses
subprodutos. Este trabalho apresenta a análise numérica da infiltração de água em dois
tipos de camada de cobertura de um aterro na região Nordeste do Brasil. Os resultados
obtidos pela análise referentes ao volume de água percolado e o teor de umidade ao
longo das camadas foram comparados com dados experimentais obtidos através da
instrumentação do aterro.
Palavras-chave: Camada de Cobertura, Aterro Sanitário, Infiltração, Análise Numérica
vii
Abstract of Undergraduate Project presented to Poli/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Civil Engineering.
NUMERICAL ANALYSIS OF INFILTRATION INTO LANDFILL FINAL COVER
Rafael Girardi D’Angelo
April of 2016
Advisor: Maria Cristina Moreira Alves
Course: Civil Engineer
The waste disposal in dumping grounds is no longer a viable option for the environment
The use of landfills has the great advantage of mitigating environmental impacts through
the generation control of leachate and biogas. The water flow through the cover layer
is one of the determining factors of generation of those by-products. This paper presents
the numerical analysis of water infiltration into two kinds of final covers of a landfill in
Brazil’s Northeast region. The results obtained by the analysis related to the volume of
leachate water and water content throughout the final covers were compared to
experimental data obtained by the instrumentation of the landfill.
Keywords: Landfill Final Cover, Landfill, Infiltration, Numerical Analysis
viii
Sumário
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 1
1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS .............................................................................................. 1
1.2 OBJETIVO ................................................................................................................. 2
1.3 METODOLOGIA E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ................................................................ 3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 5
2.1 SOLOS NÃO SATURADOS .............................................................................................. 5
2.1.1 Sucção ........................................................................................................... 5
2.1.2 Curva de retenção ......................................................................................... 9
2.1.3 Modelagem da curva característica ........................................................... 14
2.1.4 Permeabilidade não saturada .................................................................... 15
2.2 CAMADAS DE COBERTURA DE ATERROS SANITÁRIOS ....................................................... 18
2.2.1 Camadas convencionais – Barreiras resistivas ........................................... 20
2.2.2 Camada metanotrófica ............................................................................... 23
2.2.3 Camada evapotranspirativa ....................................................................... 25
3 ESTUDO DE CASO ............................................................................................ 31
3.1 LOCALIZAÇÃO .......................................................................................................... 31
3.2 CÉLULA EXPERIMENTAL ............................................................................................. 33
3.3 DADOS CLIMATOLÓGICOS .......................................................................................... 36
3.4 PARÂMETROS GEOTÉCNICOS ...................................................................................... 37
3.5 INSTRUMENTAÇÃO DA CAMADA DE COBERTURA ............................................................. 38
3.5.1 Medição da infiltração ................................................................................ 38
3.5.2 Medição da umidade do solo ..................................................................... 42
4 METODOLOGIA ............................................................................................... 44
4.1 ANÁLISE E OBTENÇÃO DOS DADOS METEOROLÓGICOS PARA APLICAÇÃO NO PROGRAMA
HYDRUS-1D ................................................................................................................. 44
4.2 APLICAÇÃO DO PROGRAMA RETC PARA OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS DE RETENÇÃO ............ 47
4.2.1 Dados de entrada no programa ................................................................. 47
ix
4.2.2 Resultados do RETC .................................................................................... 49
4.3 METODOLOGIA PARA SIMULAÇÃO NO PROGRAMA HYDRUS 1-D ..................................... 52
4.3.1 Dados de entrada no programa ................................................................. 53
4.3.2 Modelo geométrico .................................................................................... 54
4.3.3 Configuração do modelo ............................................................................ 56
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................ 58
5.1 SIMULAÇÕES PRELIMINARES VISANDO A OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS ............................... 58
5.1.1 Obtenção da carga hidráulica inicial .......................................................... 58
5.1.2 Obtenção da evaporação ........................................................................... 61
5.2 RESULTADOS DO MODELO .......................................................................................... 64
5.2.1 Camada convencional ................................................................................. 65
5.2.1.1 Análise do teor de umidade dos pontos de observação .............................. 65
5.2.1.2 Fluxo de água pela base da camada ............................................................. 69
5.2.1.3 Comportamento do perfil de umidade da camada de cobertura ................ 71
5.2.2 Camada metanotrófica ............................................................................... 73
5.2.2.1 Análise do teor de umidade dos pontos de observação .............................. 73
5.2.2.2 Fluxo de água pela base da camada ............................................................. 77
5.2.2.3 Comportamento do perfil do solo ao longo do tempo ................................. 79
6 CONCLUSÃO.................................................................................................... 82
6.1 CONSIDERAÇÕES ...................................................................................................... 82
6.2 CONCLUSÕES .......................................................................................................... 83
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 86
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Modelo físico e fenômeno da capilaridade (FREDLUND e RAHARDJO, 1993)
.......................................................................................................................................... 7
Figura 2.2 - Tubos capilares mostrando a relação entre o raio do meniscos e altura capilar
(FREDLUND e RAHARDJO, 1993) ...................................................................................... 8
Figura 2.3 - Modelo capilar de retenção de água no solo (IWATA et al., 1988 apud VIEIRA,
2005) ................................................................................................................................. 9
Figura 2.4 - Curva de retenção com os parâmetros discretizados (adaptado de VIEIRA,
2005) ............................................................................................................................... 11
Figura 2.5 - Curvas características em função da granulometria (FREDLUND & XING,
1994) ............................................................................................................................... 12
Figura 2.6 - Representação esquemática de uma curva de retenção sujeita ao efeito da
histerese (VIEIRA, 2005) ................................................................................................. 13
Figura 2.7 - Influência das constantes empíricas no formato da curva de retenção (VAN
GENUCHTEN, 1991) ........................................................................................................ 15
Figura 2.8 - Condutividade hidráulica para diferentes tipos de solo MCCARTNEY &
ZORNBERG, 2002) ........................................................................................................... 18
Figura 2.9 - Modelo esquemático de uma barreira resistiva (ZORNBERG & MCCARTNEY,
2007) ............................................................................................................................... 21
Figura 2.10 - Lisímetro e instrumentação utilizada em Albright et al. (2006) ............... 21
Figura 2.11 - Balanço hídrico de camada convencional do aterro de Albany (ALBRIGHT et
al. 2004) .......................................................................................................................... 22
Figura 2.12 - Esquema de uma camada metanotrófica (HUBER-HUMER et al., 2008) .. 24
Figura 2.13 - Modelo de balanço hídrico de uma camada de cobertura (LOPES 2011) 26
Figura 2.14 - Flutuação sazonal do teor de umidade (ZORNBERG & MCCARTNEY, 2007)
........................................................................................................................................ 27
Figura 2.15 - Taxa de infiltração e capacidade de infiltração (BRANDÃO et al., 2006 apud
LOPES, 2011) ................................................................................................................... 27
Figura 2.16 – a) Perfil de uma camada monolítica evapotranspirativa, b) flutuação
sazonal do teor de umidade (ZORNBERG & MCCARTNEY, 2007) .................................. 29
xi
Figura 2.17 – a)Curvas de retenção e b) Permeabilidade c) Perfil de uma barreira capilar
d) Flutuação sazonal do teor de umidade (ZORNBERG & MCCARTNEY,2007) .............. 30
Figura 3.1 - Localização do aterro controlado de Muribeca (LOPES, 2011) ................... 32
Figura 3.2 - Aterro controlado da Muribeca e célula experimental (LOPES, 2011) ....... 33
Figura 3.3 - Configuração das camadas de cobertura da célula experimental (LOPES,
2011) ............................................................................................................................... 35
Figura 3.4 - Divisões das camadas de cobertura experimentais (LOPES, 2011) ............. 35
Figura 3.5 - Precipitação e temperatura mensal em Recife/PE (média da série histórica
de 61-90) Fonte: http://clima1.cptec.inpe.br/~rclima1/monitoramento_brasil.shtml.
Acesso em: 16 fev 2016 .................................................................................................. 36
Figura 3.6 - Perfis dos infiltrômetros instalados nas camadas de cobertura, sendo a)
camada convencional, b) barreira capilar, c) camada metanotrófica (LOPES, 2011) .... 40
Figura 3.7 - Detalhe de um infiltrômetro padrão (LOPES 2011) .................................... 41
Figura 3.8 - Detalhes dos infiltrômetros instalado na barreira capilar a) tela na base, b)
base para captação de água em formato de pirâmide invertida, c) vista lateral, d) vista
superior (LOPES, 2011) ................................................................................................... 41
Figura 3.9 - Instrumentação para medidas de umidade e temperatura. a) Conector tipo
“k”, b) Sensor de umidade e temperatura, c) Escavação para instalação, d)
Recompactação da camada de cobertura, e) Sensores inseridos no solo, f) Testes de
medição de umidade (LOPES, 2011) .............................................................................. 43
Figura 4.1 - Localização relativa da estação meteorológica Recife-Curado ................... 45
Figura 4.2 – Comparação entre os pontos obtidos por LOPES (2011) e a curva obtida no
programa RETC ............................................................................................................... 50
Figura 4.3 – Gráfico log (condutividade hidráulica) x log (sucção) do a) solo compactado,
b) solo composto ............................................................................................................ 51
Figura 4.4 - Gráfico teor de umidade volumétrico x log (condutividade hidráulica) do a)
solo compactado, b) solo composto .............................................................................. 52
Figura 4.5 – Configuração geométrica e nós de observação das camadas de cobertura
........................................................................................................................................ 56
Figura 5.1 - Critérios de iteração sugeridos pelo programa (padrão) ............................ 59
Figura 5.2 - Definição da carga hidráulica inicial do solo das a) camada convencional e b)
camada metanotrófica ................................................................................................... 60
xii
Figura 5.3 - Precipitação e Evaporação Potencial .......................................................... 62
Figura 5.4 - Balanço hídrico no período estudado ......................................................... 64
Figura 5.5 - Teores de umidade, ao longo do tempo, apresentados pelo modelo para os
nós selecionados da camada convencional .................................................................... 66
Figura 5.6 - Dados de campo e do modelo computacional para a profundidade de 20 cm
da camada convencional ................................................................................................ 67
Figura 5.7 - Dados de campo e do modelo computacional para a profundidade de 40 cm
da camada convencional ................................................................................................ 67
Figura 5.8 - Dados de campo e do modelo computacional para a profundidade de 60 cm
da camada convencional ................................................................................................ 68
Figura 5.9 - Comparação entre os dados de volume acumulado de água percolada pela
base camada convencional ............................................................................................. 69
Figura 5.10 - Comparação entre os dados de volume diário de água percolada pela base
da camada convencional ................................................................................................ 70
Figura 5.11 - a) Sucção b) Teor de umidades e c) Condutividade hidráulica da camada
convencional no intervalo estudado .............................................................................. 72
Figura 5.12 – Teores de umidade ao longo do tempo para as profundidades de 20 cm
(N1), 40 cm (N2) e 60 cm (N3) considerando 𝜽𝒔 = 40,0% .............................................. 74
Figura 5.13 - Teores de umidade, ao longo do tempo, apresentados pelo modelo para os
nós selecionados da camada metanotrófica .................................................................. 75
Figura 5.14 - Dados de campo e do modelo computacional para profundidade de 20 cm
da camada metanotrófica .............................................................................................. 75
Figura 5.15 - Dados de campo e do modelo computacional para profundidade de 40 cm
da camada metanotrófica .............................................................................................. 76
Figura 5.16 - Dados de campo e do modelo computacional para profundidade de 60 cm
da camada metanotrófica .............................................................................................. 76
Figura 5.17 – Comparação entre os dados de volume acumulado de água percolada pela
base camada metanotrófica ........................................................................................... 78
Figura 5.18 - Comparação entre os dados de volume diário de água percolada pela base
camada metanotrófica ................................................................................................... 78
Figura 5.19 - a) Sucção b) Teor de umidade e c) Condutividade hidráulica da camada
metanotrófica no intervalo estudado ............................................................................ 81
xiii
LISTA DE TABELA
Tabela 2.1 - Valores típicos de coeficientes de permeabilidade de diferentes tipos de
solos (FERNANDES, 2006) ............................................................................................... 17
Tabela 3.1 - Propriedades geotécnicas dos materiais utilizados na camada de cobertura
(adaptado de LOPES, 2011) ............................................................................................ 37
Tabela 4.1 - Parâmetros de entrada no RETC ................................................................. 47
Tabela 4.2 - Dados de entrada para o módulo “Rosetta Lite” ....................................... 48
Tabela 4.3 - parâmetros de entrada para as duas camadas .......................................... 48
Tabela 4.4 - Curva de retenção com os dados medidos e os dados inseridos no programa
RETC ................................................................................................................................ 49
Tabela 4.5 - Parâmetros ajustados ................................................................................. 49
Tabela 4.6 - Dados de entrada do HYDRUS 1-D (SIMUNEK et al.1998 apud SOUZA 2011)
........................................................................................................................................ 54
Tabela 4.7 - Legenda dos materiais ................................................................................ 55
Tabela 5.1 - Dados climáticos mensais ........................................................................... 62
Tabela 5.2 - Valores dos erros do teor de umidade para diferentes profundidades da
camada convencional ..................................................................................................... 68
Tabela 5.3 - Valores dos erros do teor de umidade para diferentes profundidades da
camada metanotrófica ................................................................................................... 77
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações gerais
A devida disposição dos resíduos sólido urbanos (RSU) em aterros sanitários,
apesar de ainda representar números insatisfatórios, tem apresentado crescimento no
Brasil. Impulsionados por políticas públicas, os governos municipais, estaduais e federais
direcionam esforços para construção de novos aterros sanitários e a recuperação de
lixões e aterros controlados nessas últimas décadas.
Segundo dados levantados na Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (PNSB),
elaborada pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) em 2008, a
destinação final dos resíduos sólidos se distribuía da seguinte forma: 50,8% eram
destinados a vazadouros à céu aberto, 22,5% a aterros controlados, e 27,7% a aterros
sanitários (IBGE, 2008). Informações mais recentes obtidas pelo levantamento realizado
pela Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais
(ABRELPE), apontam que, em 2014, 58,4% dos resíduos gerados pelos municípios
brasileiros foram destinados a aterros sanitários. Apesar desse grande aumento
percentual, o volume de lixo gerado no Brasil também aumentou, indicando que uma
grande quantidade de RSU ainda precisa ser devidamente tratada.
A Política Nacional de Resíduos Sólidos (Lei nº. 12.305/10 regulamentada pelo
Decreto nº 7.404/10) representou um marco para gestão dos RSU no Brasil, ao definir
princípios, objetivos, instrumentos e responsabilidades, bem como diretrizes relativas à
gestão integrada e ao gerenciamento de resíduos sólidos (BRASIL, 2010). Contudo, a sua
devida implementação pelas municipalidades ainda não alcançou seus objetivos. A
própria erradicação dos lixões projetada pela PNRS para o ano de 2014 não foi
alcançada, ainda existem 3 322 unidades em atividade segundo reportagem da Exame
(EXAME, 2015).
Por questões de saúde pública e de impactos ambientais, os esforços para
erradicação desses lixões não devem ser medidos. Os aterros sanitários continuam
sendo a melhor opção para a disposição de RSUs, obviamente ressaltando a importância
de uma coleta seletiva prévia e a reciclagem máxima dos resíduos aproveitáveis.
2
Os aterros sanitários, segundo a NBR 8419/1992 da ABNT (Associação Brasileira
de Normas Técnicas), são definidos como “técnica de disposição de RSUs no solo, sem
causar danos à saúde pública e à sua segurança, minimizando os impactos ambientais,
método este que utiliza princípios de engenharia para confinar os resíduos sólidos à
menor área possível e reduzi-los ao menor volume permeável, cobrindo-os com uma
camada de terra na conclusão de cada jornada de trabalho, ou a intervalos menores, se
necessários” (ABNT, 1992).
A aplicação de conceitos de engenharia no desenvolvimento dos aterros
sanitários faz parte da sua essência e define a sua eficiência. Neste trabalho o foco será
dado às camadas de coberturas de aterros sanitários que são a interface entre os
resíduos e o meio ambiente. Muito além de um simples isolamento, o desempenho da
camada de cobertura sob a ótica da Geotecnia caracteriza um dos fatores determinantes
para a sua contribuição ao tratamento do lixo. Em termos de controle do lixiviado e da
geração de biogás, a infiltração de água pela camada de cobertura está ligada
diretamente à produção desses dois subprodutos da atividade biológica que ocorre
dentro de um aterro sanitário. A compreensão do processo de percolação (fluxo de água
pelo solo) se faz, portanto, extremamente necessária.
1.2 Objetivo
O objetivo geral do presente trabalho é analisar e compreender alguns aspectos
do comportamento de camadas de cobertura de aterro sanitário em termos de
infiltração de água e consequentemente variação de umidade, através da utilização de
ferramentas numéricas. Foram utilizados dados experimentais de instrumentação de
duas camadas de cobertura de um aterro de RSU para comparação com a modelagem
numérica realizada. Os objetivos específicos desta pesquisa foram:
Realizar uma revisão bibliográfica de mecânica dos solos não saturados e camadas
de cobertura;
Analisar o modelo hidrológico da região;
Estudar e analisar as ferramentas numéricas RETC e HYDRUS 1-D;
3
Realizar ajuste de um modelo analítico a dados experimentais de retenção de água
(LOPES, 2011) através do programa RETC;
Elaborar modelo computacional de diferentes camadas de cobertura utilizando
programa de análise numérica, HYDRUS 1-D, e executá-lo para condições de
contorno pré-estabelecidas;
Validar o modelo através da comparação de seus resultados com dados medidos em
campo por LOPES (2011).
1.3 Metodologia e organização do trabalho
O presente trabalho é organizado em seis capítulos: Introdução, Revisão
bibliográfica, Estudo de caso, Metodologia, Resultados e discussões e Conclusão.
O primeiro capítulo busca apresentar uma breve contextualização da
problemática quanto ao tratamento de lixo no Brasil e indicar a importância do estudo
no desenvolvimento de um aterro sanitário. Além disso, apresenta os objetivos do
trabalho, a metodologia e como o mesmo foi organizado.
O segundo capítulo tem como objetivo relembrar conceitos fundamentais da
mecânica dos solos não saturados partindo de uma escala microscópica ao abordar a
interação entre a água e as partículas do solo em termos de sucção e o efeito da
capilaridade e, em seguida, mostrar como essa relação influencia as propriedades
hidráulicas do solo como a curva de retenção e a permeabilidade. Além disso, são
apresentadas três concepções para camadas de cobertura de aterro sanitários,
destacando o seu funcionamento sob a ótica da mecânica dos solos e as suas principais
características.
O terceiro capítulo apresenta o estudo de caso utilizado neste trabalho - a célula
experimental do aterro da Muribeca (PE). Neste capítulo são abordadas a localização do
aterro, as 4 camadas de coberturas presentes na célula experimental e uma breve
descrição da climatologia da região. Os ensaios de caracterização geotécnica e a
instrumentação em campo para obtenção dos dados experimentais (LOPES, 2011)
utilizados neste trabalho também são mencionados.
4
O quarto capítulo descreve a metodologia utilizada para a concepção do modelo.
Primeiramente, apresenta-se como foram obtidos os dados que definem as condições
de contorno, no caso, meteorológicas. Em seguida, é apresentado o programa de ajuste
da curva de retenção (RETC) que é utilizado para o ajuste dos dados de retenção obtidos
para cada uma das camadas. E, finalmente, é apresentado o programa HYDRUS 1-D e as
configurações geométricas dos modelos de duas camadas de cobertura.
O quinto capítulo apresenta a determinação das condições de contorno e iniciais
do problema através do programa HYDRUS 1-D. Somente após a configuração final dos
dois modelos, isto é, definição das condições meteorológicas, geométricas e parâmetros
do solo, inicia-se a análise dos resultados numéricos. Para ambas as camadas estudadas,
as respostas do programa são comparadas com os dados de campo. Por fim, uma análise
do perfil de umidade do solo é feita com base no resultado do programa, destacando
características do comportamento das camadas de cobertura ao longo do período
estudado.
O sexto capítulo finaliza o trabalho apresentando críticas, considerações e as
principais conclusões.
5
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O tratamento dos resíduos sólidos objetiva o controle da disposição e o melhor
isolamento dos mesmos de modo a minimizar o contato com a comunidade e o meio
ambiente (ZORNBERG e MCCARTNEY, 2007). Os impactos de um aterro sanitário vão
muito além do próprio potencial contaminante dos seus resíduos. O mesmo pode ser
considerado um grande reator biológico cujos subprodutos de suas reações são líquidos
e gases capazes de gerar impactos ambientais quando liberados ao meio ambiente sem
o devido tratamento (LOPES, 2011).
O funcionamento desse processo bioquímico natural que ocorre no interior dos
aterros e seus produtos está intimamente ligado com as interações entre o ambiente
externo e o interno ao aterro. A umidade, por exemplo, desempenha um papel
fundamental nos processos de degradação dos compostos orgânicos e inorgânicos e
influência diretamente na formação do biogás e do lixiviado (GOMES et al., 2006 apud
LOPES, 2011). A relevância de tal fator no funcionamento do aterro mostra a
importância da camada de cobertura dos aterros sanitários no controle dessas
interações entre o corpo do aterro e o meio ambiente.
Para compreender de fato o comportamento de uma camada de cobertura, se
faz necessário o estudo tanto da sua composição e propriedades sob a luz da Geotecnia,
como também a análise das características climatológicas da região onde se localiza o
aterro sanitário.
2.1 Solos não saturados
2.1.1 Sucção
Um dos conceitos básicos no estudo da mecânica dos solos não saturados é o da
sucção. De acordo com LOPES (2011), “A sucção é um estado de tensão que expressa a
propriedade do solo em reter ou adsorver água, sendo composta por duas parcelas: a
sucção matricial e a sucção osmótica”.
6
A sucção matricial é o resultado da interação de forças entre a água e a matriz
do solo, ocasionando uma diferença de poropressão entre o ar e a água contida nos
poros do solo. Já a sucção osmótica se trata de um fenômeno químico decorrente da
concentração de sais na água (FREDLUND e RAHARDJO, 1993). A sucção se configura
como uma pressão negativa formada no solo cuja intensidade está intimamente
correlacionada com o volume de água contido nos poros. Quando o teor de umidade do
solo está baixo, a capacidade de absorver água é muito grande, mas a sucção para
remover esta água do solo é alta. Entretanto, à medida que o solo está sendo saturado,
o valor da sucção decresce. (JUCÁ 1990 apud LOPES 2011).
O comportamento da parcela matricial da sucção pode ser mais facilmente
ilustrado pelo fenômeno da capilaridade. Em tubos capilares, quanto menor o raio do
tubo, maior será ascensão da água dentro do mesmo. Esse comportamento se dá por
um sistema de forças envolvendo forças coesivas superficiais e as de adsorção. As forças
coesivas superficiais são decorrentes da atração entre as moléculas de água e são mais
fortes na superfície do líquido o que cria uma tensão superficial. Já as forças de adsorção
estão ligadas à capacidade de atração que a parede do recipiente exerce na água como
é visto na Figura 2.1. A resultante dessas duas forças gera uma força de ascensão capilar
responsável pelo fenômeno.
7
Figura 2.1 - Modelo físico e fenômeno da capilaridade (FREDLUND e RAHARDJO, 1993)
Através do equilíbrio de forças verticais, onde a resultante da tensão superficial
é 2𝜋𝑟𝑇𝑠 cos 𝛼, e o peso da coluna d’água é 𝜋𝑟2ℎ𝑐𝜌𝑤𝑔, chega-se à Equação 2.1 abaixo,
a partir da Figura 2.1:
2𝜋𝑟𝑇𝑠 cos 𝛼 = 𝜋𝑟2ℎ𝑐𝜌𝑤𝑔 2.1
Onde:
𝑇𝑠= Tensão superficial
𝑟 = Raio do tubo capilar
𝛼 = Ângulo de contato
ℎ𝑐 = Altura de ascensão
𝑔 = Aceleração gravitacional
𝜌𝑤 = Densidade da água
8
A Equação 2.1 pode ser rescrita de forma a fornecer a altura capilar máxima no
tubo considerado:
ℎ𝑐 =2𝑇𝑠
𝜌𝑤𝑔𝑅𝑠 2.2
Onde,
𝑅𝑠= Raio curvatura dos meniscos (𝑅𝑠 = 𝑟cos 𝛼⁄ )
A relação inversamente proporcional entre o raio de curvatura dos meniscos e a
altura capilar fica claramente evidenciada pela Figura 2.2. Quanto menor o raio dos
meniscos maior é ação da tensão superficial levando a alturas de ascensão maiores
como ilustrado na Figura 2.2.
Figura 2.2 - Tubos capilares mostrando a relação entre o raio do meniscos e altura capilar
(FREDLUND e RAHARDJO, 1993)
A diferença de pressão existente entre o ar e a água nos poros, ou seja, a sucção
matricial, está associada ao raio dos meniscos. Conforme o diagrama de pressões da
Figura 2.1, observa-se que a sucção formada equivale à Equação 2.2:
9
(𝑢𝑎 − 𝑢𝑤) = 𝜌𝑤𝑔ℎ𝑐 =2𝑇𝑠
𝑅𝑠 2.3
Onde:
𝑢𝑎= Poropressão do ar
𝑢𝑤= Poropressão da água
A parcela da sucção osmótica da sucção não será considerada ao longo deste
trabalho.
2.1.2 Curva de retenção
Uma decorrência do efeito da capilaridade no solo é a capacidade do mesmo em
reter água. A capilaridade no solo pode ser entendida simplificadamente quando se
considera os vazios no solo como um conjunto de tubos capilares interconectados
(VIEIRA, 2005). A soma do volume de água retido nos tubos capilares em determinada
altura ou sucção dá a capacidade de retenção de água nesse nível de carga. O efeito
pode ser ilustrado pela Figura 2.3. Para diâmetros distintos, a altura capilar encontrada
em cada tubo é diferente. A variação da quantidade de água no solo, em termos de teor
umidade volumétrico, em função da sucção ou carga hidráulica é representada pela
curva de retenção do solo.
Figura 2.3 - Modelo capilar de retenção de água no solo (IWATA et al., 1988 apud VIEIRA,
2005)
10
A curva de retenção e a permeabilidade não saturada definem o comportamento
do fluxo de água no solo quando este é submetido a ciclos de secagem e umedecimento.
Quando o solo se apresenta saturado, com baixas sucções (0 a 100 kPa), as propriedades
hidráulicas do solo são dependentes da distribuição e da geometria dos poros, ou seja,
da estrutura do solo (predomínio das forças capilares). Porém, para as altas sucções, a
curva de retenção é cada vez mais dependente da textura do solo (predomínio de forças
de adsorção) e menos da estrutura do mesmo.
Devido à dificuldade de se determinar a permeabilidade não saturada do solo na
prática, o uso de modelos para estimar tal característica em função da curva de retenção
é cada vez mais usual (e.g. VAN GENUCHTEN (1980), FREDLUND E XING (1994)).
Segundo VAN GENUCHTEN (1991), a utilização de modelos que se baseiam em
equações analíticas relativamente simples - quando estes estão calibrados e compatíveis
com as propriedades reais do solo - permite uma série de aplicabilidades como:
comparações de propriedades hidráulicas de diferentes solos e camadas; interpolações
e extrapolações fisicamente aceitáveis das curvas de retenção e condutividade
hidráulica; facilidade de utilização de modelos de fluxo multidimensionais não saturados
com várias camadas.
Visando a aplicação dessas modelagens é fundamental extrair da curva de
retenção os parâmetros necessários para ajustá-las. Dentre estes parâmetros de ajuste
estão:
O valor da sucção em que ocorre a entrada de ar do solo devido à drenagem da
água contida nos poros maiores (𝜓𝑎𝑟);
O teor de umidade residual, que é o teor de umidade volumétrico a partir do
qual o seu valor não se altera, mesmo aumentando o valor da sucção (𝜃𝑟);
O teor de umidade volumétrico saturado, ou seja, quando os vazios do solo estão
completos com água (𝜃𝑠);
A permeabilidade saturada do solo (𝑘𝑠) (VIEIRA, 2005).
A Figura 2.4, mostra os pontos característicos das curvas de retenção, de acordo
com VIEIRA (2005). O teor de umidade saturado corresponde ao valor de baixa sucção
11
na curva, fica compreendido na zona saturada. O teor de umidade residual indica o
ponto de inflexão da curva a partir do qual deixa de haver variação no teor de umidade.
Figura 2.4 - Curva de retenção com os parâmetros discretizados (adaptado de VIEIRA,
2005)
De acordo com VANAPALLI et al. (1996) apud VIEIRA (2005), a Figura 2.4 mostra
os três estágios para perda de água no solo:
A zona de efeito de borda ou saturada, onde os vazios se encontram repletos de
água, havendo continuidade entre os meniscos de água em contato com as
partículas sólidas e consequentemente uma maior área para fluxo de água. Por
esse motivo a permeabilidade nessa zona é praticamente igual à permeabilidade
saturada.
A zona de transição, na qual o solo deixa de estar saturado quebrando a
continuidade dos meniscos. O teor de umidade varia acentuadamente com a
variação da sucção. A permeabilidade do solo à água é dependente do valor da
sucção pois esta define o tamanho da área para a percolação.
A zona residual, caracterizada por uma pequena variação do teor de umidade
com a variação da sucção. Praticamente não há continuidade hidráulica e o fluxo
de água passa a ser predominantemente na forma de vapor e muito lenta. As
12
forças de adsorção tendem a predominar em relação às forças capilares. E o
escoamento passa a ser bastante viscoso, podendo apresentar o
comportamento de um fluído não newtoniano o que põe em dúvida a validade
de modelos de fluxo nessa fase.
Tanto a curva de retenção quanto os seus parâmetros são dependentes da
estrutura do solo. Por esse motivo VIEIRA (2005) destaca que certos fatores podem
influenciar na forma da curva e, consequentemente, na permeabilidade do solo, como
por exemplo: a mineralogia e a porcentagem de finos, a histerese, o grau de
compactação do solo e teor de umidade de moldagem.
A mineralogia e a porcentagem de finos do solo afetam a capacidade de
armazenamento de água do solo. Quando apresenta uma maior presença de argilo-
minerais e uma maior porcentagem de finos, o solo possui uma maior plasticidade e o
tamanho máximo de seus vazios diminui devido à presença de partículas finas,
consequentemente aumentando a superfície específica do solo (VIEIRA, 2005). Tais
características aumentam o valor da sucção para entrada de ar o que promove um maior
abatimento da curva de retenção. A Figura 2.5 abaixo mostra o efeito da granulometria
na curva de característica.
Figura 2.5 - Curvas características em função da granulometria (FREDLUND & XING, 1994)
13
Como pode ser observado na Figura 2.5, o solo mais granular apresenta não só
o teor de umidade volumétrico saturado como também o valor de sucção para entrada
de ar bastante inferiores quando comparados com os solos mais finos. Tal
comportamento evidencia o efeito das forças de adsorção e da textura do solo.
O efeito da histerese também está ligado à estrutura do solo e à variação do
sentido do fluxo de água, normalmente variando entre ascendente e descendente. A
Figura 2.6 pode exemplificar o funcionamento deste fenômeno. Quando o solo
representado pela curva abaixo é compactado no teor de umidade correspondente à
letra B e é submetido à secagem (devido a evaporação, por exemplo) a trajetória que
este solo seguirá será BC via 1. Caso a secagem fosse mais intensa o solo poderia chegar
a D seguindo BCD. Contudo, o solo sendo submetido ao umedecimento (por exemplo
pela infiltração) seguiria a trajetória DF via 2 podendo até voltar a B. Por esse motivo, o
formato da curva de retenção depende dos ciclos de umedecimentos e secagens
impostos pelas condições climáticas em campo. A magnitude desse aspecto deve ser
analisada quando se deseja se aproximar do comportamento real do solo.
Figura 2.6 - Representação esquemática de uma curva de retenção sujeita ao efeito da
histerese (VIEIRA, 2005)
14
Já o grau de compactação do solo, teor de umidade de moldagem e densidade
são fatores que influenciam diretamente na estrutura do solo. Por esse motivo
impactam diretamente no formato da curva de retenção.
2.1.3 Modelagem da curva característica
Como forma de compreender o comportamento do solo na sua zona não
saturada, foi desenvolvida uma série de modelos teóricos. O modelo de van Genuchten
(1980) é um dos modelos mais utilizados na prática por apresentar uma boa
aplicabilidade em todo intervalo de sucções do solo. A Equação 2.4 define o formato da
curva de retenção a partir de parâmetros já destacados ao longo desse trabalho.
𝜃 = 𝜃𝑟 + (𝜃𝑠 − 𝜃𝑟) ∗1
[1 + (𝛼 ∗ ℎ)𝑛]𝑚 2.4
Onde,
𝜃𝑟 = Teor de umidade residual
𝜃𝑠 = Teor de umidade saturado
𝛼, 𝑛, 𝑚 = Constantes empíricas que afetam a forma da curva de retenção
A equação acima pode ser escrita na seguinte forma (VAN GENUCHTEN, 1980):
𝛩𝑒 𝑜𝑢 𝑆𝑒 =1
[1 + (𝛼 ∗ ℎ)𝑛]𝑚 2.5
Onde 𝛩𝑒 é chamado de teor de umidade adimensional e é definido como (VAN
GENUCHTEN, 1980):
𝛩𝑒 𝑜𝑢 𝑆𝑒 =𝜃 − 𝜃𝑟
𝜃𝑠 − 𝜃𝑟 2.6
15
Em VAN GENUCHTEN (1991), o autor ilustra a influência das constantes 𝛼, 𝑛, 𝑚
no formato da curva empírica por meio da Figura 2.7 (o eixo das ordenadas apresenta o
teor de umidade adimensional e o das abscissas a carga hidráulica multiplicada por 𝛼 ).
Figura 2.7 - Influência das constantes empíricas no formato da curva de retenção (VAN
GENUCHTEN, 1991)
GERSCOVICH (2001) elaborou um estudo onde aplicou diversos métodos
conceituados de modelagem da curva característica em dois tipos de solos brasileiros
bastante comuns, visando descobrir quais desses seriam mais adequados para os solos
típicos do Brasil. Dentre as abordagens estudadas, o modelo de van Genuchten (1980)
apresentou um bom ajuste aos dados experimentais do trabalho.
2.1.4 Permeabilidade não saturada
O interesse em estudar a curva característica está associado também à
compreensão do fluxo de água através de um solo não saturado. Como já foi
mencionado, a obtenção da permeabilidade não saturada em campo é um processo
extremamente custoso e pouco prático.
O fluxo de água em solos não saturados é tradicionalmente descrito pela
Equação de Richards (1931) indicada abaixo:
𝐶𝜕ℎ
𝜕𝑡=
𝜕
𝜕𝑧(𝑘
𝜕ℎ
𝜕𝑧− 𝑘) 2.7
16
Onde:
ℎ = Poropressão da água
𝑡 = Tempo
𝑧 = Profundidade no solo
𝑘 = Condutividade (permeabilidade) hidráulica
𝐶 = Capacidade hídrica do solo (𝑑𝜃 𝑑ℎ⁄ )
A mesma equação pode ser escrita em termos de teor de umidade da seguinte
forma (VAN GENUCHTEN, 1991):
𝜕𝜃
𝜕𝑡=
𝜕
𝜕𝑧(𝐷
𝜕𝜃
𝜕𝑧− 𝑘) 2.8
Onde,
𝐷 = Difusividade = 𝑘𝜕ℎ
𝜕𝜃
O valor do teor de umidade 𝜃(ℎ) é dado em função do valor da sucção em cada
ponto do solo. Tal função representa justamente a curva característica. A condutividade
hidráulica 𝑘(ℎ) , que também é função da poropressão, foi equacionada por van
Genuchten (1980) pela Equação 2.9.
𝑘(𝛩𝑒 ) = 𝑘𝑠𝑎𝑡 ∗ 𝛩𝑒
12⁄ [
𝑓(𝛩𝑒 )
𝑓(1)]
2
2.9
Onde,
𝑓(𝛩𝑒) = ∫ [𝑥1 𝑚⁄
1 − 𝑥1 𝑚⁄]
1 𝑛⁄𝛩𝑒
0
𝑑𝑥 2.10
𝑓(1) = ∫ [𝑥1 𝑚⁄
1 − 𝑥1 𝑚⁄]
1 𝑛⁄1
0
𝑑𝑥 | 𝛩𝑒(𝜃𝑠) =𝜃𝑠 − 𝜃𝑟
𝜃𝑠 − 𝜃𝑟= 1 2.11
17
Por meio de algebrismos e considerando a restrição do valor de 𝑚 = 1 − 1/𝑛,
chega-se à seguinte Equação 2.12 apresentada em VAN GENUCHTEN (1980), segundo a
teoria de condutividade de Mualem, que determina a permeabilidade não saturada.
𝑘(𝛩𝑒) = 𝑘𝑠𝑎𝑡 ∗ 𝛩𝑒
12⁄ [1 − (1 − 𝛩𝑒
1 𝑚⁄ )𝑚
]2
2.12
Vale ressaltar que as hipóteses simplificadoras do modelo de van Genuchten-
Mualem (1980) são:
1 - A representação dos poros do solo como pares de tubos capilares de
diferentes raios ligados sequencialmente, ou seja, sem que haja mais de uma conexão
de poros pequenos a um maior (a resistência ao fluxo é dada pelos poros de menor raio).
2 - Inexistência de conexão entre poros paralelos.
3 -Não consideração da contração do solo.
Os mesmos fatores que afetam a curva característica inevitavelmente afetam o
comportamento da permeabilidade do solo, afinal esta está em função daquela. A
mineralogia e a granulometria do solo influenciam de maneira bastante significativa o
comportamento da curva de permeabilidade x sucção. FERNANDES (2006) destaca em
seu livro os valores típicos da condutividade hidráulica saturada de diferentes tipos de
solos como podem ser vistos na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 - Valores típicos de coeficientes de permeabilidade de diferentes tipos de solos
(FERNANDES, 2006)
Tipo de solo Ksat (m/s)
Cascalhos limpos >10-2
Areia grossa 10-2 a 10-3
Areia média 10-3 a 10-4
Areia fina 10-4 a 10-5
Areia siltosa 10-5 a 10-6
Siltes 10-6 a 10-8
Argilas 10-8 a 10-10
18
Tais valores são apenas característicos para solos saturados, ou seja, para valores
de sucção extremamente baixos. Contudo, ao passo que ocorre a variação do teor de
umidade no solo, a permeabilidade também varia. Tal característica fica muito clara na
Figura 2.8. Solos mais grosseiros como as areias (linha tracejada) quando estão sujeitos
a uma certa faixa de sucção (na figura esta faixa é de 10 kPa a 50 kPa) apresentam
permeabilidades menores que as dos solos mais finos. Isso ocorre porque siltes e argilas
ainda conseguem reter uma parcela de água nos poros à medida que a sucção aumenta,
como pode ser visto na Figura 2.5, ou seja, os caminhos para o fluxo de água são
mantidos, diferentemente do caso das areias (MCCARTNEY & ZORNBERG, 2002).
Figura 2.8 - Condutividade hidráulica para diferentes tipos de solo MCCARTNEY &
ZORNBERG, 2002)
2.2 Camadas de Cobertura de Aterros Sanitários
O estudo das camadas de cobertura de um aterro sanitário envolve um conjunto
extenso de ciências e conceitos muitas vezes relevado. O projeto de uma camada de
cobertura consiste em um trabalho multidisciplinar que abrange tanto o ambiente
externo ao aterro quanto detalhes ligados à composição dos seus materiais construtivos
e dos resíduos armazenados.
No âmbito do meio externo, as condições meteorológicas, de relevo e drenagem
influem diretamente na concepção da camada. A interação desses fatores com a camada
19
de cobertura e o desempenho da mesma perante àqueles qualifica a eficiência do
projeto. Obviamente, o funcionamento da camada também está intimamente ligado à
sua composição e às características geotécnicas dos seus materiais. A mecânica dos
solos não saturados desempenha papel fundamental nesse estudo.
No Brasil, não há especificação em norma do tipo de material que deve ser
utilizado na execução das camadas de cobertura. Uma série de aspectos deve ser
analisada na escolha do material, o que influencia nas diferentes vantagens e
desvantagens associadas a cada uma das opções. Como forma de avaliar o desempenho
dos diferentes tipos de camada é primordial tanto a realização de ensaios de campo e
laboratório quanto a utilização de modelos computacionais, além do acompanhamento
das condições climáticas e do seu impacto na camada de cobertura (MARIANO, 2008).
Nos ensaios em laboratório, as amostras são submetidas a um conjunto de
ensaios geotécnicos: curva granulométrica, mineralogia do solo, limites de Atterberg,
curva de compactação, índices físicos, condutividade hidráulica saturada e não saturada
e curva de retenção de umidade (MARIANO, 2008).
Já em campo, objetiva-se caracterizar as condições existentes como por
exemplo: precipitação e taxa de evaporação local, grau de compactação e espessura das
camadas, fluxo de gases pela camada de cobertura, umidade de campo, ocorrência de
erosão, existência de vegetação, permeabilidade de campo, tamanho e profundidade
das fissuras e existência de fluxo preferencial (BENSON et al., 2003. ALBRIGHT et al.,
2005 apud MARIANO, 2008).
Em termos de modelos computacionais, trabalhos como o de ZHANG (2013)
mostram a importância dos mesmos no estudo das soluções possíveis para cada aterro.
Estes modelos, quando devidamente calibrados com os parâmetros obtidos pelos
ensaios de campo e laboratório, permitem realizar análises de sensibilidade e
simulações por longos períodos de tempo constituindo importante ferramenta para o
projeto do aterro.
As coberturas dos aterros sanitários mais comumente implementadas no Brasil
são compostas de uma camada homogênea de solo compactado, normalmente usando
um solo argiloso devido à baixa permeabilidade e custo. Apesar de ser uma solução
20
simples de fácil implementação (quando há disponibilidade de material), algumas vezes
não é a solução mais propícia para as condições do aterro.
Uma série de soluções tanto para o controle da infiltração de água no corpo do
aterro quanto da emissão de biogás já foi estudada e implementada não só
internacionalmente como aqui no país.
Estudos como os de LOPES (2011), ZHANG (2013), MELCHIOR (1997 e 2010),
ALBRIGHT et al. (2004) dentre outros citados nas referências deste trabalho constituem
exemplos dos esforços em vários países para se obter soluções cada vez mais otimizadas
para a disposição dos resíduos em cada caso, viabilizando redução de custos e dos
impactos ambientais.
Algumas dessas soluções para as camadas de cobertura são apresentadas nos
itens a seguir.
2.2.1 Camadas convencionais – Barreiras resistivas
As camadas convencionais ou resistivas são utilizadas em aterros de pequeno,
médio e grande porte muitas vezes apenas com o intuito estético e sanitário, ou seja,
não deixar os resíduos expostos, permitindo assim o controle de odores e da
proliferação de vetores.
Com o objetivo de impedir a infiltração da água no corpo do aterro, a barreira
resistiva é executada com materiais de baixa condutividade hidráulica, normalmente
uma camada de argila compactada retirada de uma jazida próxima. A Figura 2.9
apresenta uma representação esquemática do comportamento de uma barreira
resistiva. Nota-se que ao invés de infiltrar, uma parcela considerável do volume de chuva
tende a escoar superficialmente (runoff).
21
Figura 2.9 - Modelo esquemático de uma barreira resistiva (ZORNBERG & MCCARTNEY,
2007)
Diversos autores realizaram estudos visando entender o comportamento de
camadas convencionais com argila compactada com relação à infiltração. (ALBRIGHT et
al., 2004 e 2006; MELCHIOR et al., 2010)
ALBRIGHT et al. 2006 apud Lopes (2011), conduziu um estudo em 3 aterros
diferentes para avaliar a eficiência de camadas convencionais compactadas em relação
à infiltração em 3 climas diferentes (quente e úmido, quente e árido e frio e úmido).
Foram utilizados lisímetros (instrumento utilizado para medir infiltração, o qual é
explicado mais detalhadamente no Item 3.5.1) como os da Figura 2.10, acompanhados
por um período de estudo de 2 a 4 anos.
Figura 2.10 - Lisímetro e instrumentação utilizada em Albright et al. (2006)
Nesses estudos, a percolação observada aumentou significativamente com o
passar do tempo, principalmente no clima quente e úmido quando comparado aos
climas quente e árido e frio e úmido onde a drenagem se manteve de acordo com os
critérios de projeto. O aumento de percolação observado se deu pelo efeito da histerese
no solo, os ciclos de umedecimento e secagem característicos desse clima que levaram
22
a modificações estruturais do solo formando fissuras e consequentemente caminhos
preferenciais de fluxo (ou de infiltração).
Além dessa observação, foi detectado por meio de escavações que as raízes das
plantas que germinaram na camada superficial composta por solo orgânico (a qual serve
de base para o plantio de espécies) tinham alcançado a superfície da camada de solo
compactado também ocasionando a formação de caminhos preferenciais.
A visualização desse aumento de percolação devido aos fatores mencionados
acima é muito clara ao se observar a Figura 2.11 retirada de ALBRIGHT et al. (2004). Nela
está exposto o balanço hídrico de uma camada convencional em um clima úmido.
Percebe-se o aumento das taxas de infiltração após um período de seca no Outono de
2000. Antes desse período, a infiltração era relativamente constante, variando muito
pouco em períodos chuvosos.
Figura 2.11 - Balanço hídrico de camada convencional do aterro de Albany (ALBRIGHT et al.
2004)
Tais exemplos mostram a influência do clima no comportamento de uma camada
e a importância de acompanhar o seu desempenho ao longo dos anos. De forma geral,
as camadas convencionais devem levar em consideração períodos de longas secas e de
23
chuvas intensas pois estes podem levar à degradação mais rápida desse tipo de camada,
comprometendo a sua eficiência e reduzindo sua vida útil.
2.2.2 Camada metanotrófica
As camadas metanotróficas, também chamadas de oxidativas, representam uma
alternativa economicamente atraente para a redução de emissões de biogás através de
um processo bioreativo perfeitamente natural. Essas camadas fazem uso de materiais
orgânicos em sua composição para criar condições favoráveis para o desenvolvimento
de microrganismos metanotróficos, ou seja, capazes de biodegradar o CH4 proveniente
da decomposição do RSU.
Diversos estudos vêm sendo realizados visando descobrir os materiais que
otimizam a redução das emissões de CH4. Normalmente, são utilizados em sua
composição, materiais orgânicos provenientes de compostagem, produtos
provenientes de tratamento biológico de resíduos, aparas de madeira, turfa, palha
dentre outros.
Destaca-se a importância dessas camadas para aterros de pequeno e médio
porte que não apresentam uma solução economicamente viável para exploração do
biogás (LOPES, 2011). Ainda mais se tratando do Brasil, onde, segundo o IBGE (2010)
aproximadamente metade dos resíduos ainda são despejados em lixões ou em aterros
sem controle.
A Figura 2.12 apresenta um esquema conceitual da camada metanotrófica que
normalmente é composta de uma biocobertura onde ocorre a oxidação do biogás e de
uma camada de material drenante (material de granulometria grossa) visando aumentar
a distribuição do biogás. Tal efeito permite uma maior regularização do fluxo de biogás
pela camada bioreativa, de modo a otimizar o processo biológico de decomposição do
metano.
24
Figura 2.12 - Esquema de uma camada metanotrófica (HUBER-HUMER et al., 2008)
A oxidação biológica que ocorre na camada de biocobertura é um processo
natural, mas que depende de alguns aspectos para ocorrer de maneira eficiente. É
imprescindível que a biocobertura apresente condições necessárias para o
desenvolvimento das colônias de bactérias metanotróficas. Além disso, são necessários:
um fluxo natural de oxigênio pela camada, umidade adequada, disponibilidade de
nutrientes e meio ambiente adequado.
Um conjunto de propriedades físico químicas dos materiais que compõem o
composto da biocobertura precisa ser considerado para o melhor aproveitamento da
camada. Teor de umidade, densidade, grau de aeração, condutividade hidráulica, pH,
concentrações de certos sais são exemplos dos parâmetros estudados para que as
bactérias alcancem taxas mais eficientes de consumo de CH4.
25
2.2.3 Camada evapotranspirativa
As camadas de cobertura evapotranspirativas têm como princípio de
funcionamento a conjunção de dois fatores: a capacidade de armazenamento de água
do solo e a remoção de água do solo por meio de evapotranspiração.
Estas camadas são estudadas segundo a ótica do balanço hídrico pela análise do
comportamento dos fluxos de água dentro do sistema, ou seja, entre o meio externo, o
solo e o meio interno. A dinâmica desse mecanismo se baseia em certos fatores como,
por exemplo, o suprimento e a demanda de água impostos pelas condições
climatológicas como radiação solar, precipitação, velocidade do vento, umidade local e
temperatura do ar. Outro fator importante é a capacidade do solo em armazenar e
transmitir água baseado na sua condutividade hidráulica não saturada. Finalmente, a
influência da vegetação tantos nos processos evapotranspirativos como também no
escoamento superficial.
A Figura 2.13 mostra como o modelo do balanço hídrico se comporta.
Primeiramente, a água é introduzida no sistema por meio da precipitação. As
características da precipitação, a presença de vegetação e as propriedades geotécnicas
do solo influenciam na quantidade de água que infiltrará e na quantidade de água que
escorrerá pela superfície compondo o runoff. O destino da água infiltrada está ligado à
capacidade de armazenamento do solo e à manutenção dessa capacidade depende da
secagem do mesmo. A remoção da água do solo é feita naturalmente tanto pela
evapotranspiração quanto pela drenagem lateral. A parcela final dessa água é o volume
de água que percola. O balanço hídrico é resumido pela Equação 2.13 a seguir:
26
Figura 2.13 - Modelo de balanço hídrico de uma camada de cobertura (LOPES 2011)
𝑃𝐸𝑅𝐶 = 𝑃 − 𝑅 − 𝐸𝑇𝑃 − 𝑄 − ∆𝑈 2.13
A percolação, em períodos úmidos, ocorre à medida que as camadas superiores
do solo vão saturando gradativamente no sentindo descendente. O perfil de umidade
do solo nesse caso mostra um teor de umidade mais elevado na camada superficial, a
primeira a saturar. Já em um período mais seco, onde a evapotranspiração é maior que
a precipitação, as camadas superficiais reduzem o teor de umidade antes que as mais
profundas. Por esse motivo, pontos mais superficiais apresentam um comportamento
mais sazonal por estarem mais suscetíveis aos efeitos meteorológicos. A variação do
teor de umidade ao longo do tempo está ilustrada na Figura 2.14.
27
Figura 2.14 - Flutuação sazonal do teor de umidade (ZORNBERG & MCCARTNEY, 2007)
A capacidade de infiltração do solo varia enquanto o solo começa a umedecer. A
Figura 2.15 retirada de BRANDÃO et al. 2006 apud LOPES 2011 exemplifica o
comportamento da mesma ao longo do tempo. No instante A, inicia-se a precipitação.
A capacidade de infiltração do solo nesse instante é maior que a intensidade da chuva
(o que define a taxa de infiltração), indicando que toda a água está infiltrando. No tempo
B, a capacidade de infiltração se iguala à intensidade e a partir desse momento parte da
água da chuva passa a escorrer pela superfície, o volume hachurado no gráfico
representa o runoff observado. Somente a partir do fim da chuva, a capacidade de
infiltração do solo volta a subir com a secagem do solo até a ocorrência da próxima
chuva que definirá a retomada do processo. (BRANDÃO et al. 2006).
Figura 2.15 - Taxa de infiltração e capacidade de infiltração (BRANDÃO et al., 2006 apud
LOPES, 2011)
28
As camadas evapotranspirativas buscam otimizar ao máximo o armazenamento
de água no solo evitando assim a percolação da água. Essas camadas podem ser
divididas em duas soluções: a camada monolítica e a barreira capilar.
A camada monolítica, que consiste em apenas um material de granulometria fina
com uma cobertura vegetal, tem seu funcionamento baseado em duas propriedades
desse material: a sua grande capacidade de armazenamento quando não saturado e a
sua baixa condutividade hidráulica quando saturado em comparação aos solos
granulares (QIAN et al. 2002 apud LOPES, 2011).
Ao invés de funcionar com uma barreira, como é o caso das camadas
convencionais resistivas, a camada evapotranspirativa funciona como uma esponja ou
um reservatório que armazena água em um período chuvoso e depois a retorna para
atmosfera através da drenagem lateral e da evapotranspiração (evaporação mais
transpiração da camada vegetal). Com essas informações é possível determinar a
espessura do solo de modo a obter uma percolação mínima aceitável. (ZORNBERG &
MCCARTNEY, 2007)
O comportamento do teor de umidade ao longo da camada evapotranspirativa
monolítica pode ser observado na Figura 2.16. Durante um período mais chuvoso, nos
instantes t1, t2 e t3, ocorre o umedecimento da camada iniciando-se pela camada de solo
mais superficial e se aprofundando no solo. O instante t4 indica o início da secagem do
solo que começa pelas parcelas mais superficiais e, ao decorrer do tempo promove a
redução do teor de umidade das parcelas mais profundas da camada. Ressalta-se que
em profundidades mais acentuadas, a variação do teor de umidade praticamente não
ocorre o que indica que a maior parcela da água que infiltrou no solo durante o período
chuvoso ficou retida na parcela mais superficial do solo e depois foi devolvida à
atmosfera pelo efeito da evapotranspiração da camada vegetal.
29
Figura 2.16 – a) Perfil de uma camada monolítica evapotranspirativa, b) flutuação sazonal
do teor de umidade (ZORNBERG & MCCARTNEY, 2007)
Já o outro tipo de camada evapotranspirativa, as barreiras capilares, consiste na
utilização de uma camada superior de material de granulometria fina denominada
camada capilar com uma camada de vegetação por cima e uma camada de material de
granulometria mais grosseira denominada bloco capilar. O objetivo desta camada é o
mesmo que a anterior, garantir acumulação de água no solo de modo a controlar o
percolado, entretanto o funcionamento dela se baseia nas diferenças entre as
condutividades hidráulicas apresentadas pelos solos finos e pelos solos grosseiros
quando submetidos às diferentes sucções (tais diferenças já foram apresentadas na
Figura 2.8).
A barreira capilar é dimensionada de tal forma que a camada grosseira esteja
sujeita a uma sucção tal que condicione a condutividade hidráulica a ser menor que a
do solo fino da camada superior. Dessa forma, a água contida na camada fina ao percolar
até sua base, se depara com um material menos permeável, fazendo com que a mesma
comece a se acumular na camada superficial.
Entretanto, com o aumento da água acumulada na camada superficial (em um
período chuvoso), a água pode começar a percolar pela camada mais grosseira,
aumentando assim o teor de umidade da mesma e consequentemente reduzindo a
sucção (saturando o bloco capilar). A partir de um certo valor de sucção a condutividade
30
hidráulica do solo mais grosseiro se iguala à do solo fino, desfazendo o efeito da barreira
capilar, permitindo a percolação até a base do bloco capilar. A figura abaixo retirada de
ZORNBERG & MCCARTNEY, 2007 indica em suas letras a) e b) a sucção onde ocorre a
igualdade da permeabilidade entre os dois solos (chamada de Breakthrough Suction). Já
as letras c) e d) apresentam o perfil da barreira capilar e o teor de umidade ao longo da
camada.
Figura 2.17 – a)Curvas de retenção e b) Permeabilidade c) Perfil de uma barreira capilar d)
Flutuação sazonal do teor de umidade (ZORNBERG & MCCARTNEY,2007)
31
3 ESTUDO DE CASO
Os dados experimentais utilizados neste trabalho, referentes a quatro camadas
de cobertura, foram extraídos da tese de doutorado “Infiltração de água e emissão de
metano em camadas de coberturas de aterros de resíduos sólidos”, elaborada por LOPES
(2011). Estes dados foram obtidos por meio de instrumentação e ensaios realizados em
uma célula experimental localizada na área do aterro controlado da Muribeca (PE).
Antes de apresentar as considerações iniciais quanto ao modelo numérico
utilizado por este trabalho e os dados experimentais de LOPES (2011), é interessante
apresentar uma breve descrição da área de estudo, apresentando suas principais
características, e a metodologia utilizada por LOPES (2011) para a obtenção de seus
dados.
3.1 Localização
A instrumentação foi realizada na célula experimental, mencionada acima,
localizada no aterro de Muribeca, que se situa na Região Metropolitana de Recife (RMR),
no município de Jaboatão dos Guararapes-PE, como mostrado na Figura 3.1.
32
Figura 3.1 - Localização do aterro controlado de Muribeca (LOPES, 2011)
O aterro compreendido em uma área média de 62 hectares tinha capacidade
para receber em média 3.000 toneladas de lixo por dia. O aterro operou desde 1985 até
julho de 2009 sendo este o principal local de recepção dos resíduos sólidos urbanos
provenientes da RMR. Inicialmente, a disposição dos resíduos na área era realizada de
forma desordenada, sem qualquer planejamento ou cuidado ambiental e sanitário.
Em 1994, teve início um processo de recuperação e remanejo dos RSU, levando
à transformação do antigo lixão em um aterro controlado, aumentando a sua vida útil
até meados de 2009. Seu gerenciamento era realizado por meio de um convênio
firmado entre o Governo do Estado, a Prefeitura do Recife e a Prefeitura de Jaboatão
dos Guararapes, através da Gestão Compartilhada.
Ao longo dos anos, o aterro foi objeto de diversas pesquisas acadêmicas
desenvolvidas pela UFPE, destacando-se o Grupo de Resíduos Sólidos (GRS/UFPE) que
também é responsável pelo monitoramento ambiental da região. Um dos projetos
acadêmicos desenvolvido pelo GRS foi a implantação de uma célula experimental de
RSU anexa ao aterro.
33
A célula experimental como pode ser vista na Figura 3.2, foi implantada em 2007
e faz parte de um projeto de pesquisa cujo objetivo é estudar a geração de energia
através do biogás gerado pela decomposição dos resíduos. A mesma foi instrumentada
com equipamentos necessários para o controle de geração de biogás assim como com
equipamentos de investigação geotécnica como piezômetros, termopares e referenciais
para controle de recalques, com o objetivo de avaliar seu comportamento geomecânico.
Figura 3.2 - Aterro controlado da Muribeca e célula experimental (LOPES, 2011)
3.2 Célula experimental
Localizada em uma área de aproximadamente 1,0 ha, nas proximidades do
mirante do Aterro Controlado da Muribeca, a Célula experimental foi dimensionada por
JUCÁ et al. (2006), possuía as seguintes as dimensões de 65 m de largura e 85 m de
comprimento, com 9 m de altura e volume de resíduos aterrados de cerca de 38.000 m3.
A implantação da célula experimental iniciou-se em Agosto de 2006, com uma
campanha de sondagens a percussão, limpeza inicial do terreno e transplante de
árvores. Após essas etapas preliminares, foram executadas as camadas de
impermeabilização inferior da célula, a unidade física da usina de geração de energia e
o sistema de drenagem de lixiviado.
34
O sistema de drenagem de lixiviado tem o objetivo de conduzir o chorume
produzido dentro da célula para a Estação de Tratamento de Chorume (ETC) existente
no Aterro Controlado da Muribeca. Os líquidos percolados na massa de lixo são
coletados por drenos de fundação e drenagem anelar, e posteriormente são conduzidos
a um poço de visita. (JUCÁ et al., 2006 apud RODIGUES, 2009)
A camada de cobertura da célula experimental foi executada em fevereiro de
2008. É importante ressaltar que o mesmo tipo de solo foi utilizado em todo o processo
construtivo. A compactação das camadas de cobertura e suas bermas foram feitas por
meio de um trator de esteira 150 HP, durante o espalhamento do solo, sem controle de
compactação e umidade.
A camada de cobertura foi executada com 3 configurações distintas de projeto
(sem separação física entre elas), representando cada uma um tipo de solução de
camada de cobertura.
Camada convencional (CONV): foi executada uma camada de 0,70 m de
espessura de solo compactado, ocupando uma área de 534,8 m2, de espessura
variável de 0,50 m a 0,90 m em função das diferentes declividades do aterro.
Barreira capilar (BAC): foi executada uma camada de solo compactado de 0,50
m e uma camada imediatamente abaixo de 0,20 m de pedra britada tipo
rachinha (diâmetro médio de 0,10 m), ocupando uma área de 500,3 m2. Na
interface solo-camada de pedra foi adicionado um geotêxtil não tecido RT 09
(Bidim®), de modo a evitar o fluxo de material fino devido à diferença de
granulometria. A camada também apresentou trechos com a mesma variação de
espessuras (0,50 m a 0,90 m).
Camada metanotrófica (MET): foi executada uma camada de 0,30 m de solo
compactado e acima da mesma 0,30 m de uma mistura de solo e composto
oriundo da própria unidade de compostagem do aterro. Duas subcamadas foram
construídas: a MET 01 foi executada com uma proporção de 50% de solo e 50%
de composto, em volume, em uma área de 291,8 m2, enquanto a MET 02 a
proporção foi de 75%/25%, executada em uma área de 298,4 m2. Em função da
declividade, a espessura total da camada variou de 0,40 m a 0,75 m.
35
A Figura 3.3 apresenta um resumo das soluções adotadas na célula experimental,
enquanto a Figura 3.4 apresenta como essas camadas estão distribuídas na célula.
Figura 3.3 - Configuração das camadas de cobertura da célula experimental (LOPES, 2011)
Figura 3.4 - Divisões das camadas de cobertura experimentais (LOPES, 2011)
36
3.3 Dados climatológicos
Os dados climatológicos da região, como já foi mostrado no Capítulo 2,
apresentam grande influência no comportamento das camadas de cobertura. Dados
diários como precipitação, umidade do ar, temperatura máxima e mínima diária foram
obtidos a partir da estação meteorológica Recife-CURADO do INMET. Tais dados foram
utilizados por LOPES (2011) no modelo hídrico desenvolvido em seu trabalho. Neste
trabalho, como será apresentado no Capítulo 4, estes valores serão de extrema
importância para uma modelagem mais acurada.
A Figura 3.5 apresenta a climatologia para a cidade de Recife considerando uma
média histórica de 30 anos. Observa-se que a precipitação nessa região é dividida em
dois regimes ao longo do ano. O período de chuvas apresenta seus picos de precipitação
entre os meses de Abril e de Julho com valores mensais de 300 a 380 mm. Este período
é responsável por aproximadamente 76% da precipitação anual, enquanto o período
seco fica com 22% (LOPES, 2011). A temperatura média mensal é de 26,3oC, sendo a
média das mínimas 19,3 oC e das máximas 32,8oC.
Figura 3.5 - Precipitação e temperatura mensal em Recife/PE (média da série histórica de
61-90) Fonte: http://clima1.cptec.inpe.br/~rclima1/monitoramento_brasil.shtml. Acesso
em: 16 fev 2016
37
3.4 Parâmetros geotécnicos
A caracterização física e geotécnica dos materiais utilizados nas camadas de
cobertura foi feita com base em amostras de 15 kg retiradas de 3 pontos em cada área
de camada de cobertura. Os ensaios laboratoriais foram todos executados no
laboratório de solos da UFPE seguindo procedimentos normalizados pela ABNT e pela
norma ASTM. Os procedimentos adotados estão detalhados na tese de LOPES (2011). A
Tabela 3.1 apresenta as propriedades geotécnicas que foram obtidas por intermédio dos
ensaios realizados nas amostras de solos das camadas de cobertura.
Tabela 3.1 - Propriedades geotécnicas dos materiais utilizados na camada de cobertura
(adaptado de LOPES, 2011)
Análise CONV BAC MET01 MET02
En
saio
s d
e L
ab
ora
tóri
o Gra
nu
lom
etr
ia
%argila 29 25 23 27
%silte 23 24 29 25
%areia fina 8 15 10 15
%areia média 20 19 15 12
%areia grossa 19 15 16 16
%pedregulho 1 2 7 5
<0,0075mm (%) 53 55 54 55
Lim
ites d
e
co
nsis
tên
cia
LL (%) 42 43 52 50
LP (%) 29 31 39 33
IP (%) 13 13 12 17
γdmáx (kN/m3) 16,1 16,6 13,0 14,6
Wóti (%) 19,9 19,0 22,9 18,4
Massa específica dos grãos (g/cm3)
2,62 2,63 2,45 2,53
Ksat (m/s) 1,5 x 10-9 4,4 x 10-8 2,8 x 10-6 9,2 x 10-8
WCC**(%) 22,2 20,4 28,7 24,0
En
saio
s
de c
am
po
γdméd (kN/m3) 15,1 14,9 12,3 13,5
Porosidade média (n) 0,43 0,43 0,52 0,49
Compactação in situ (%) 93,6 90,6 95,4
(77***) 93,4
(85%***)
CONV= camada convencional; BAC = barreira capilar; MET01 = camada superficial da metanotrófica 01; MET02 = camada superficial da metanotrófica 02; **Umidade de capacidade de campo; ***Grau de compactação em relação ao solo sem composto.
38
A curva de retenção de água no solo foi obtida para as diferentes camadas com
o intuito de analisar o comportamento de cada material em relação à permeabilidade à
água em diferentes valores de sucção.
Os pontos da curva característica foram tomados pelo método do papel filtro,
padronizado pela norma ASTM D5298-92 e descrito por Marinho (1994). Segundo
MACIEL (2003) apud LOPES (2011) “Esta técnica tem sido utilizada por inúmeros
pesquisadores desde a década de 60 e é baseada na transferência de umidade por
capilaridade (sucção matricial) ou na forma de vapor (sucção total) de um material de
menor sucção (solo) para um de sucção mais elevada (papel filtro), até que o equilíbrio
seja atingido”.
Tais valores serão fundamentais para a obtenção dos parâmetros de retenção
dos solos das camadas de cobertura. Estes parâmetros serão utilizados na configuração
do modelo computacional do fluxo de água pelas camadas de cobertura.
3.5 Instrumentação da camada de cobertura
Além dos parâmetros obtidos por LOPES (2011) no Item 3.4, também foram
utilizados os resultados obtidos da instrumentação de campo realizada pela mesma
autora. Dados de infiltração através das camadas e de umidade medidos ao longo delas
serão utilizados neste trabalho para a comparação com os resultados obtidos no modelo
computacional elaborado no programa HYDRUS 1-D.
3.5.1 Medição da infiltração
Para a medição do líquido infiltrado, LOPES (2011) instalou, em junho de 2009,
infiltrômetros em cada uma das coberturas experimentais, preenchidos com materiais
das mesmas características das respectivas camadas. Os mesmos foram confeccionados
com chapas de ferro galvanizado com 2 mm de espessura, com tratamento contra
ferrugem, capacidade de acumulação de água de 18 litros e em forma de pirâmide
invertida na base.
39
Segundo LOPES (2011), “A área interna da base do infiltrômetro é de 0,3364 m2,
e altura das paredes laterais é de 0,05 m para os infiltrômetros instalados na camada
metanotrófica e convencional, e de 0,45 m para o instalado na barreira capilar, devido
à presença da camada de pedras. Na base interna dos infiltrômetros foi colocada tela de
aço galvanizado com abertura de 1 mm, intertravada, para evitar flexão durante o
preenchimento com solo. Acima da tela, foi colocado geotêxtil não tecido do tipo
BIDIM® RT09, com a finalidade dar suporte para camada de finos, evitando assim a perda
de material. Cada infiltrômetro tem na base uma saída em tubulação de ferro que é
conectada a uma curva de 90º com diâmetro de 25 mm, sendo posteriormente feita a
junção com uma tubulação de PVC. Os infiltrômetros foram instalados de maneira que
a base com a tela coincidisse com o nível de resíduo existente na célula”.
A declividade da tubulação é voltada para uma saída no talude mais próximo,
sendo fechada com registro de PVC na extremidade, para medição da quantidade de
água infiltrada diariamente.
A compactação do material utilizado no preenchimento do infiltrômetro foi feita
de maneira controlada de modo que o mesmo tivesse as propriedades mais próximas
possíveis dos materiais originais usados na célula experimental.
O perfil de cada um dos infiltrômetros pode ser observado na Figura 3.6, além
do detalhamento de um infiltrômetro padrão (Figura 3.7) e do infiltrômetro
implementado no trabalho de LOPES (2011) (Figura 3.8).
40
(a)
(b)
(c)
Figura 3.6 - Perfis dos infiltrômetros instalados nas camadas de cobertura, sendo a)
camada convencional, b) barreira capilar, c) camada metanotrófica (LOPES, 2011)
41
Figura 3.7 - Detalhe de um infiltrômetro padrão (LOPES 2011)
Figura 3.8 - Detalhes dos infiltrômetros instalado na barreira capilar a) tela na base, b)
base para captação de água em formato de pirâmide invertida, c) vista lateral, d) vista
superior (LOPES, 2011)
42
A partir das medições que eram feitas diariamente (exceto Sábados e Domingos)
- com um auxílio de provetas graduadas - e das características geométricas dos
infiltrômetros, LOPES (2011) determinou a altura de água infiltrada através da Equação
3.1
𝐻𝑖 = (𝑉 𝐴⁄ ) 3.1
Onde:
𝐻𝑖 = altura de água infiltrada no período de um dia [mm]
𝑉 = volume diário de água infiltrada medido [mm]
𝐴 = área de captação do infiltrômetro [mm2]
3.5.2 Medição da umidade do solo
A medição da umidade em profundidade iniciou-se a partir de junho de 2009, e
foi realizada por meio de sensores de umidade volumétrica (EC5-DECAGON DEVICES)
instalados diretamente nas camadas de cobertura. Nas camadas convencional e
metanotrófica os sensores foram instalados nas profundidades de 0,20 m, 0,40 m e 0,60
m, enquanto na barreira capilar nas profundidades de 0,20 m e 0,40 m. O detalhe da
instalação da instrumentação em campo pode ser visto na Figura 3.9
43
Figura 3.9 - Instrumentação para medidas de umidade e temperatura. a) Conector tipo “k”, b) Sensor de umidade e temperatura, c) Escavação para instalação, d) Recompactação da camada de cobertura, e) Sensores inseridos no solo, f) Testes de medição de umidade
(LOPES, 2011)
44
4 METODOLOGIA
LOPES (2011) focou em seu trabalho no estudo do comportamento experimental
das 4 camadas de cobertura da célula – mencionadas no Item 3.2 - quanto ao fluxo de
biogás e de água. Este trabalho utilizou os dados de LOPES (2011) para a modelagem do
fluxo não saturado de água em duas dessas camadas através do uso de dois programas
computacionais (RETC e Hydrus 1-D). Ambos são softwares livres que podem ser obtidos
através do site: http://www.pc-progress.com.
As camadas de cobertura estudadas neste trabalho são: a camada convencional
(CONV) e a camada metanotrófica (MET01).
4.1 Análise e obtenção dos dados meteorológicos para
aplicação no programa HYDRUS-1D
Os dados climatológicos da região, como já foi mostrado no Capítulo 2,
apresentam grande influência no comportamento das camadas de cobertura. Dados
diários como precipitação e temperatura máxima e mínima diárias foram obtidos a
partir da estação Recife-CURADO/INMET localizada a, aproximadamente, 13 km da
célula experimental na latitude 08°03’S, longitude 34°57’W, sendo referência para toda
Região Metropolitana do Recife/PE. A localização da estação meteorológica em relação
ao aterro pode ser observada na Figura 4.1.
45
Figura 4.1 - Localização relativa da estação meteorológica Recife-Curado
Os dados coletados da estação foram medições diárias de precipitação (em
milímetros) e temperaturas mínima, máxima e média diárias (em graus Celsius). Por se
tratar de uma estação automática, os seus dados estão sujeitos a algumas falhas. Dados
de alguns dos dias não foram registrados na base do INMET. Neste trabalho, foi adotado
como forma de preenchimento desses valores o uso de dados pluviométricos e de
temperatura obtidos no mesmo período de anos anteriores que apresentassem
características similares ao ano estudado.
Além dos dados fornecidos pela estação, como pode ser visto no modelo
hidrológico apresentado na revisão bibliográfica, ainda há necessidade de outros valores
diários como a evaporação. O programa HYDRUS 1-D permite o cálculo da evaporação
potencial pela Equação de Hargreaves (Equação 4.1) (SOUZA, 2011).
46
𝐸𝑇𝑝 = 0,0023𝑅𝑎(𝑇𝑚 + 17,8)√𝑇𝑅 4.1
Onde:
𝑇𝑚 - Temperatura [oC]
TR - Diferença entre a temperatura máxima diária e a temperatura mínima diária [oC]
𝑅𝑎 - Radiação extraterrestre, na mesma unidade da evaporação [mm d-1] ou
[J m-2 s-1], para o local, obtida através da Equação 4.2:
𝑅𝑎 = 15,392𝑑𝑟(𝜔𝑠𝑠𝑒𝑛𝜑𝑠𝑒𝑛𝛿 + 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑐𝑜𝑠𝛿𝑠𝑒𝑛𝜔𝑠) 4.2
Onde:
𝜑 = Latitude do local (“+” no hemisfério norte, e “–” no hemisfério sul)
𝜔𝑠 = Ângulo solar [radiano], obtido através da Equação 4.3:
𝜔𝑠 = arccos (−𝑡𝑎𝑛𝜑𝑡𝑎𝑛𝛿) 4.3
Onde:
𝛿 = Declinação solar no dia “J” do ano [radiano], obtida através da Equação 4.4:
𝛿 = 0,409𝑠𝑒𝑛 (2𝜋
365𝐽 − 1,39) 4.4
Onde:
𝐽 = Número do dia no ano (dia Juliano)
𝑑𝑟 = Distância relativa da Terra ao Sol no dia “J” [radiano], obtida através da Equação
4.5:
𝑑𝑟 = 1 + 0,033𝑐𝑜𝑠 (2𝜋
365𝐽) 4.5
47
4.2 Aplicação do programa RETC para obtenção dos
parâmetros de retenção
O programa RETC é um programa que visa obter as propriedades hidráulicas de
solos não saturados por meio do ajuste de modelos analíticos a dados da curva
característica ou de permeabilidade não saturada do solo.
A obtenção de um modelo analítico devidamente ajustado é essencial para a
posterior análise do fluxo de água dos solos estudados com o programa HYDRUS 1-D.
4.2.1 Dados de entrada no programa
Os dados de entrada iniciais são escolhidos em função da disponibilidade dos
dados de campo. Como no trabalho de LOPES (2011) foi realizado somente o ensaio de
papel filtro buscando obter a curva de retenção, utilizou-se apenas o ajuste por meio
dos dados de retenção.
O programa RETC permite o ajuste dos dados de retenção a diferentes modelos
teóricos já consolidados da literatura como o de van Genuchten (1980) e Brooks-Corey
(1964), assim como os modelos de condutividade hidráulica de Mualem (1976) e Burdine
(1953). O modelo adotado neste trabalho foi o modelo de van Genuchten e de Mualem
com a limitação de m = 1 − 1/n que já foi apresentada no Item 2.1.3.
Antes de introduzir os dados do problema, o programa solicita o fornecimento
de valores preliminares dos parâmetros da curva característica identificados na Tabela
4.1:
Tabela 4.1 - Parâmetros de entrada no RETC
Parâmetros de
retenção de água
no solo
𝜃𝑟- conteúdo volumétrico de água residual
𝜃𝑠 - conteúdo volumétrico de água saturado
𝛼 - parâmetro empírico das curvas de retenção de van
Genuchten ou Brooks-Corey
𝑛 - parâmetro empírico da curva de retenção de van Genuchten
𝑘𝑠 - condutividade hidráulica saturada
48
Dentre os parâmetros mencionados na Tabela 4.1, conhece-se apenas o valor
da condutividade hidráulica saturada dos solos utilizados (Tabela 3.1). A obtenção dos
outros parâmetros da Tabela 4.1 se fez por meio do Módulo “Rosetta Lite” (um módulo
que acompanha tanto o software RETC quanto HYDRUS 1-D), versão 1.1, que prevê os
parâmetros hidráulicos do solo a partir de dados relativos à composição granulométrica
e à densidade aparente seca do material. Esses foram extraídos da Tabela 3.1 e são
resumidos na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 - Dados de entrada para o módulo “Rosetta Lite”
Tipo de material %argila %silte %areia 𝜌𝑑[g/cm3]* 𝐾𝑠 [cm/dia]*
Solo compactado (CONV e
MET01) 29 23 48 1,539 0,013
Solo + composto (50%-50%)
(MET01) 23 29 48 1,258 24,192
*Tabela 3.1
Os parâmetros de retenção de água de entrada previstos pelo módulo “Rosetta
Lite” estão na Tabela 4.3.
Tabela 4.3 - parâmetros de entrada para as duas camadas
Tipo de material 𝜃𝑟 𝜃𝑠 𝛼 [cm-1] 𝑛 𝐾𝑠 [cm/dia]*
Solo compactado 0,086 0,546 0,016 1,416 0,013
Solo + Composto (50%-50%) 0,076 0,525 0,012 1,468 24,192
* parâmetro fixado - Tabela 3.1
Além desses parâmetros, são necessários os dados que compõem a curva de
retenção obtidos de LOPES (2011) e reproduzidos na Tabela 4.4.
49
Tabela 4.4 - Curva de retenção com os dados medidos e os dados inseridos
no programa RETC
Solo compactado Solo + Composto (50%-50%)
Umidade vol.
Sucção (kPa)
Sucção RETC (cm)
Umidade vol.
Sucção (kPa)
Sucção RETC (cm)
37,1% 4,20 42,0 41,1% 1,96 19,6
34,5% 41,92 419,2 38,5% 8,32 83,2
32,0% 162,38 1623,8 35,6% 28,37 283,7
29,3% 796,21 7962,1 33,2% 102,10 1021,0
26,9% 1873,05 18730,5 30,7% 163,25 1632,5
23,8% 4700,06 47000,6 27,3% 651,14 6511,4
19,9% 5812,15 58121,5 23,2% 2613,17 26131,7
16,5% 5672,35 56723,5 19,3% 3571,78 35717,8
12,9% 9912,92 99129,2 15,5% 7473,88 74738,8
4.2.2 Resultados do RETC
Os parâmetros de retenção ajustados com base no programa são fornecidos na
Tabela 4.5.
Tabela 4.5 - Parâmetros ajustados
Tipo de material 𝜃𝑟 𝜃𝑠 𝛼 [cm-1] 𝑛 𝐾𝑠 [cm/dia]*
Solo compactado 0,00 0,343 0,0010 1,4462 0,013
Solo + Composto (50%-50%) 0,00 0,400 0,0029 1,1496 24,192
* parâmetro fixado - Tabela 3.1
As curvas experimentais baseadas nos pontos obtidos por LOPES (2011) e a curva
ajustada com base no programa RETC com os parâmetros acima são apresentadas na
Figura 4.2.
50
Figura 4.2 – Comparação entre os pontos obtidos por LOPES (2011) e a curva obtida no
programa RETC
O programa forneceu como coeficiente de correlação (R2) de 0,92
(convencional), 0,97 (metanotrófica) para o ajuste realizado. O fato de o teor de
umidade residual (𝜃𝑟) ter sido adotado como zero pode ser explicado por VIEIRA (2005),
que afirma que a não existência dados suficientes próximos do teor de umidade residual
pode levar a esse tipo de ajuste não muito acurado (normalmente, argilas possuem 𝜃𝑟 ≅
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
1 10 100 1000 10000 100000
Teo
r d
e u
mid
ade
volu
mét
rica
Sucção (kPa)
Solo compactado
RETC LOPES (2011)
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
1 10 100 1000 10000 100000
Teo
r d
e u
mid
ade
vo
lum
étr
ica
Sucção (kPa)
Solo composto (50%-50%)
LOPES (2011) RETC
51
0,10) . Contudo, o ajuste foi considerado bastante adequado para o desenvolvimento
do trabalho, apesar de recomendar-se utilizar métodos de obtenção dos parâmetros de
retenção mais propícios para a zona mais residual da curva.
Os gráficos da variação da condutividade hidráulica do solo em função da sucção
e do teor de umidade podem ser obtidos pelo programa RETC. Vale lembrar que a
condutividade é determinada pelo programa de acordo com o modelo teórico de ajuste
escolhido. Como foi considerado o modelo van Genuchten - Mualem com a limitação de
m = 1 − 1/n , a condutividade hidráulica foi determinada com base na Equação 2.12.
Os resultados para ambos os materiais são apresentados nas Figura 4.3 e Figura
4.4 (a sucção é dada, em escala log, na unidade de cm de coluna d’água; a condutividade
hidráulica, em escala log, na unidade de cm/dia).
(a)
(b) Figura 4.3 – Gráfico log (condutividade hidráulica) x log (sucção) do a) solo compactado, b)
solo composto
-5.5
-5.0
-4.5
-4.0
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
log(|Pressure Head|[cm])
Hydraulic Properties: log K vs. log h
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
-2 -1 0 1 2 3 4 5
log(|Pressure Head|[cm])
Hydraulic Properties: log K vs. log h
52
(a)
(b) Figura 4.4 - Gráfico teor de umidade volumétrico x log (condutividade hidráulica) do a)
solo compactado, b) solo composto
4.3 Metodologia para simulação no Programa HYDRUS 1-D
O modelo utilizado na simulação da infiltração foi desenvolvido na plataforma
do software HYDRUS 1-D, versão 4.16.
HYDRUS 1-D é um programa de elementos finitos que, através da resolução
numérica da equação de Richards (Equação 2.7), simula o movimento unidimensional
de água em meios porosos variavelmente saturados. O programa permite simular o
fluxo de água em planos horizontais ou verticais por diferentes camadas de materiais,
permitindo definir condições de contorno prescritas de carga hidráulica e fluxo, assim
-5.5
-5.0
-4.5
-4.0
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
Water Content [-]
Hydraulic Properties: log K vs. Theta
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45
Water Content [-]
Hydraulic Properties: log K vs. Theta
53
como condições de contorno controladas por dados meteorológicos (evaporação e
pluviosidade), fluxo em drenos horizontais e drenagem livre (SOUZA, 2011).
O programa permite a modelagem de diversos cenários, contemplando
parâmetros ligados à geometria (com uso de ferramenta gráfica), tipos de materiais que
compõem as camadas, situações temporais de estudo (tempo de observação do
problema) e de cálculo computacional (discretização de tempo), condições de contorno,
além de permitir o emprego dos mesmos modelos para as propriedades hidráulicas do
solo (curva de retenção e permeabilidade não saturada) utilizados pelo RETC e
apresentados no Item 4.2.1.
Neste trabalho, foram feitas simulações para o período de 1 ano e 9 meses
(01/06/2009 - 31/12/2010) utilizando dados pluviométricos da estação meteorológica
de Recife-Curado com o intuito de comparar os resultados obtidos tanto com os dados
de infiltração obtidos pelo lisímetro quanto com os dados de umidade medidos ao longo
da camada.
4.3.1 Dados de entrada no programa
Os dados de entrada possíveis para a simulação de fluxo com o programa
HYDRUS 1-D podem ser resumidos na Tabela 4.6:
54
Tabela 4.6 - Dados de entrada do HYDRUS 1-D (SIMUNEK et al.1998 apud SOUZA 2011)
Dados de geometria
Número de materiais (tipos diferentes de solo)
L - profundidade do perfil [L]
𝛼 - inclinação [-]
Informações de tempo Tempo final [T]
Número de variáveis de entrada (ex.: para 1 ano = 365 dias)
Parâmetros de retenção de água no solo
𝜃𝑟- conteúdo volumétrico de água residual
𝜃𝑠 - conteúdo volumétrico de água saturado
𝛼 - parâmetro empírico das curvas de retenção de van Genuchten ou Brooks-Corey
𝑛 - parâmetro empírico da curva de retenção de van Genuchten
𝑘𝑠 - condutividade hidráulica saturada
Dados de entrada de variáveis de tempo
Time - Tempo para o qual é fornecida a gravação de um dado [T]
Precip - Taxa de precipitação [LT-1] (em valor absoluto)
Evap - Taxa de evaporação potencial [LT-1] (em valor absoluto)
Trans - Taxa de transpiração potencial [LT-1] (em valor absoluto)
hCritA - Valor absoluto da mínima carga hidráulica permitida na superfície do solo [L]
FluxTop - Fluxo dependente do tempo no limite da superfície [L/T]
hTop - carga hidráulica dependente do tempo no limite da superfície [L/T]
4.3.2 Modelo geométrico
O modelo geométrico para este trabalho é bastante simples por se tratar de
apenas um estudo do fluxo de água pelas camadas de cobertura que, como foi
explicitado no Capítulo 3, são compostas em sua maioria de 1 ou 2 tipos de materiais.
As dimensões adotadas na construção dos modelos geométricos foram extraídas da
Figura 3.3. A tabela abaixo apresenta a classificação dada a cada um dos materiais no
programa.
55
Tabela 4.7 - Legenda dos materiais
Tipo de Material Designação do programa
Solo compactado Material 1
Solo + Composto (50%-50%) Material 2
A Figura 4.5 abaixo apresenta os modelos geométricos de cada uma das camadas
de cobertura. O critério para escolha da malha de nós foi colocar um nó para cada
centímetro de camada cobertura existente, entretanto por problemas com a
convergência do modelo da camada metanotrófica, para esta camada foi utilizada uma
malha mais refinada com o espaçamento entre nós a cada meio centímetro. Portanto, a
camada convencional (CONV), que possui espessura de 70 cm, foi modelada com 71 nós
enquanto a camada metanotrófica (MET01), que possui espessura de 60 cm, foi
modelada com 121 nós. Além disso, definiu-se os “observation points” que são os nós
para os quais o programa apresenta os resultados das análises. Os nós escolhidos foram
aqueles correspondentes à profundidade dos sensores de umidade volumétrica
mencionados no Item 3.5.2. A Figura 4.5 abaixo apresenta como ficaram configuradas
as duas camadas e os pontos de observação selecionados.
56
Camada convencional (CONV) Camada metanotrófica (MET01)
Figura 4.5 – Configuração geométrica e nós de observação das camadas de cobertura
4.3.3 Configuração do modelo
A unidade padrão de tempo utilizada na simulação foi de “dias” para o período
de 1 ano e 9 meses (01/06/2009 - 31/12/2010) correspondente às medições feitas por
LOPES (2011). Já a unidade adotada para geometria foi a de “centímetros” mais
adequada ao problema por se tratar de espessuras de solos com menos de 1 metro de
espessura.
O modelo adotado para as propriedades hidráulicas do solo foi o mesmo
considerado no programa RETC, o modelo de van Genuchten - Mualem. O fenômeno da
histerese não foi considerado na modelagem. Os parâmetros de retenção utilizados
foram aqueles obtidos no ajuste executado pelo RETC encontrados na Tabela 4.5 .
A fim de simplificar o modelo, não foi considerada a presença de vegetação na
modelagem das duas camadas de cobertura.
57
Como condição inicial do solo ficou definido que o mesmo se apresenta em
situação não saturada. Foi verificado por meio de simulações usando uma série histórica
de 10 anos de dados (31/12/2000 - 31/12/2010) pluviométricos e de temperatura de
modo a estabelecer um valor padrão de equilíbrio de sucção, conforme descrito no Item
5.1.1.
A condição de contorno para o topo da camada de cobertura foi definida pela
inserção de dados diários pluviométricos e de temperatura máxima e mínima para o
período considerado (“Condições de Contorno Atmosféricas com Escoamento
Superficial”). A evaporação potencial (ET) foi calculada, por intermédio do programa,
utilizando a “Equação de Hargreaves” (Item 4.1) . Já a condição de contorno para o limite
inferior da camada, ou seja, a superfície de contato entre a camada e o resíduo urbano,
ficou definida como drenagem livre.
As simulações preliminares para a obtenção da evaporação potencial e a carga
hidráulica inicial (ho) são apresentadas no Item 5.1.
58
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Simulações preliminares visando a obtenção dos
parâmetros
Este item visa apresentar as simulações preliminares, realizadas através do
programa HYDRUS 1-D, necessárias para a obtenção dos valores da evaporação
potencial (ET) e da carga hidráulica inicial (h0) da camada de cobertura.
Como já foi mencionado no Item 4.3.3, a definição de h0 se dá com base em uma
série histórica. Busca-se estabelecer o valor médio em torno do qual o solo varia ao
longo do ano hídrico. Por esse motivo, foram acessados dados pluviométricos e de
temperatura máxima e mínimas diários referentes à estação Recife/Curado
compreendidos entre 31/12/2000 - 31/12/2010 (10 anos), sendo esta última data
escolhida por coincidir com os últimos dados de campo medidos por LOPES (2011).
A opção de utilizar o método de Hargreaves (com latitude de -8,05o de acordo
com a estação meteorológica) foi adotada devido à carência de informações quanto à
evaporação apresentada no local.
5.1.1 Obtenção da carga hidráulica inicial
Por se tratar de uma análise preliminar onde não há a necessidade de obter um
valor com grande precisão e acurácia - busca-se apenas uma estimativa de h0 - optou-se
por utilizar parâmetros temporais menos rigorosos. Por se tratar de uma análise de 10
anos (3653 dias), adotou-se os seguintes critérios de cálculo para discretização do tempo
no caso da camada convencional:
- Incremento inicial de tempo: dt [T] = 0,1 dia
- Valor mínimo permitido para o incremento de tempo: dtmin [T] = 0,1 dia
- Valor máximo permitido para o incremento de tempo: dtmáx[T] = 1 dia
59
Entretanto, para favorecer a convergência do modelo, para a camada
metanotrófica foram utilizados incrementos temporais menores:
- Incremento inicial de tempo: dt [T] = 0,001 dia
- Valor mínimo permitido para o incremento de tempo: dtmin [T] = 1,0*10-5 dia
- Valor máximo permitido para o incremento de tempo: dtmáx[T] = 0,1 dia
Para os critérios de iteração do programa, foram utilizados para as duas camadas
os valores padrões sugeridos pelo programa que são apresentados na Figura 5.1 abaixo:
Figura 5.1 - Critérios de iteração sugeridos pelo programa (padrão)
Os parâmetros hidráulicos, configurações geométricas e as condições de
contorno foram as mesmas consideradas no Capítulo 4. Adotou-se como valor
preliminar de sucção, ao longo de toda a camada, o valor default do programa de -100
cm (-10 kPa).
Como valor representativo da camada, serão analisados os valores da sucção
correspondente ao nó localizado na parcela intermediária de cada camada. No caso da
camada convencional, adotou-se o valor correspondente ao nó 41 que fornece os
resultados para a profundidade de 40 cm. Já para a camada metanotrófica, que é
composta por duas camadas de materiais diferentes, estabeleceu-se que para a camada
superior de material composto seria utilizado o nó 41, correspondente à metade desta
camada (profundidade de 20 cm) e para a camada convencional, inferior, o nó escolhido
é o 81 (profundidade de 40 cm).
60
O resultado da análise pode ser observado nos gráficos da Figura 5.2
(a)
(b)
Figura 5.2 - Definição da carga hidráulica inicial do solo das a) camada convencional e b) camada
metanotrófica
A partir da observação do comportamento da carga hidráulica ao longo desses
10 anos, foi possível adotar:
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Su
cção
(cm
)
Tempo (dias)
nó 41 (40 cm) adotado (solo compactado)
-25000
-20000
-15000
-10000
-5000
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Sucç
ão (
cm)
Tempo (dias)
nó 41 (20 cm) nó 81 (40 cm)
adotado (solo composto) adotado (solo compactado)
61
- Para camada convencional - o valor médio de sucção inicial de -600 cm (-60 kPa).
- Para camada metanotrófica – o valor médio de sucção inicial de -3000 cm (-300 kPa)
para camada de solo composto e -600 cm (-60 kPa) para camada de solo compactado.
5.1.2 Obtenção da evaporação
Após a definição das sucções iniciais mencionadas acima, o próximo passo a ser
adotado foi a determinação da evaporação potencial para o período de estudo
selecionado. A partir desse momento, o interesse do estudo volta para o período em
que LOPES (2011) obteve suas medições, ou seja, de 01/06/2009 até 31/12/2010.
Os dados meteorológicos são selecionados para apenas esse período o que dá
um total de 579 dias. O programa HYDRUS 1-D foi utilizado para estimar a evaporação
conforme a Equação de Hargreaves apresentada no Item 4.1.
A Tabela 5.1 apresenta os valores obtidos para Evaporação Potencial (EP) junto
com os dados pluviométricos (P). A última coluna indica o excedente hídrico que fará
parte do sistema, sendo este divido em escoamento superficial e infiltração. Esses
mesmos dados são apresentados graficamente na Figura 5.3.
62
Tabela 5.1 - Dados climáticos mensais
Mês/Ano P (mm) EP (mm) P-EP (mm)
jun/09 333,0 116,5 216,5
jul/09 386,8 121,4 265,4
ago/09 290,2 120,4 169,8
set/09 83,5 108,2 -24,7
out/09 16,3 117,9 -101,6
nov/09 49,9 103,7 -53,8
dez/09 47,8 109,7 -61,9
jan/10 193,4 113,4 80,0
fev/10 45,2 115,0 -69,8
mar/10 92,7 151,5 -58,8
abr/10 273,3 135,2 138,1
mai/10 114,3 137,4 -23,1
jun/10 543,9 121,3 422,6
jul/10 259,4 124,3 135,1
ago/10 191,2 120,6 70,6
set/10 74,3 106,5 -32,2
out/10 37,4 108,4 -71,0
nov/10 23,5 104,0 -80,5
dez/10 84,8 113,7 -28,9
Total 3140,9 2249,0 891,9
Figura 5.3 - Precipitação e Evaporação Potencial
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
jun
/09
jul/
09
ago
/09
set/
09
ou
t/0
9
no
v/0
9
dez
/09
jan
/10
fev/
10
mar
/10
abr/
10
mai
/10
jun
/10
jul/
10
ago
/10
set/
10
ou
t/1
0
no
v/1
0
dez
/10
mm
P (mm) EP (mm)
63
É possível destacar que no período selecionado os 3 primeiros meses iniciais
apresentaram um grande volume de chuva variando de 290 - 387 mm e, logo em
seguida, inicia-se a estação seca. Pela Figura 5.3, pode-se observar uma grande
amplitude do volume de chuvas ao longo do ano. Por exemplo, em julho de 2010 choveu
543,9 mm enquanto no mês mais seco, outubro de 2009, apenas 16,3 mm.
Destacam-se 4 períodos típicos do balanço hídrico no intervalo de tempo
estudado como pode ser observado na Figura 5.4. Primeiramente um período de
excedente hídrico no período chuvoso de junho a agosto de 2009 com 651,7 mm. De
setembro de 2009 a março de 2010, a deficiência hídrica apresentada foi de - 290,6 mm,
em torno de 45% do excedente apresentado no período anterior. Nos meses chuvosos
seguintes, de abril a agosto de 2010, o excedente foi de 743,4 mm e, no último período
o déficit, foi de -212,7. O balanço do período considerado apresentou um excedente
hídrico estimado de 891,9 mm.
Esta análise caracteriza a região claramente como bastante úmida. ZHANG
(2013), em seu artigo, realiza um estudo paramétrico de diferentes camadas de
coberturas, focando principalmente a sua análise em barreiras capilares, submetidas a
climas úmidos. ZHANG (2013) utiliza dados meteorológicos de cidades da China e dos
Estados Unidos onde a precipitação anual média variava entre 800 a 1000 mm. O
presente trabalho analisou dados de uma camada de cobertura localizada em um clima
com índices pluviométricos maiores do que os analisados por ZHANG (2013) (o ano de
2010 apresentou uma pluviosidade anual de 1933,4 mm).
64
Figura 5.4 - Balanço hídrico no período estudado
5.2 Resultados do modelo
No item 5.1, o programa HYDRUS 1-D foi utilizado como ferramenta para obter
parâmetros iniciais para calibração do modelo. A definição dos mesmos é imprescindível
para uma análise mais concisa do problema.
Com o objetivo de executar o modelo, incorporou-se o arquivo utilizado no cálculo
da evapotranspiração potencial pois o mesmo já contém os valores diários
meteorológicos do período estudado. Em seguida, com o interesse de favorecer a
convergência, modificou-se os critérios de cálculo para valores menores (menores
incrementos de tempo).
Para o modelo da camada convencional foram considerados os seguintes
incrementos:
- Incremento inicial de tempo: dt [T] = 1,0*10-6 dia
- Valor mínimo permitido para o incremento de tempo: dtmin [T] = 1,0*10-8 dia
- Valor máximo permitido para o incremento de tempo: dtmáx[T] = 0,1 dia
Por problemas quanto à convergência do modelo, decidiu-se utilizar os mesmos
critérios de iteração utilizados na determinação da carga hidráulica inicial da camada
-200,0
-100,0
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
jun
/09
jul/
09
ago
/09
set/
09
ou
t/0
9
no
v/0
9
dez
/09
jan
/10
fev/
10
mar
/10
abr/
10
mai
/10
jun
/10
jul/
10
ago
/10
set/
10
ou
t/1
0
no
v/1
0
dez
/10
P-E
P (
mm
)
Período de excedente
hídrico Período de deficiência
hídrica
Período de excedente
hídrico
Período de deficiência
hídrica
65
metanotrófica, já citados no Item 5.1.1. Tal consideração não comprometerá os
resultados da análise como será visto adiante. Quanto aos critérios de iteração foram
mantidos os mesmos com os valores padrões da Figura 5.1.
O programa HYDRUS 1-D apresenta uma série de resultados interessantes para
análise, como resposta à execução do modelo e os resultados são divididos da seguinte
forma (SYMUNEK, 1998):
Observation Points - apresentação gráfica das variações no teor de umidade, sucção e
fluxo de água nos nós de observação definidos.
Profile Information – apresentação gráfica da sucção, teor de umidade, velocidade de
fluxo, condutividade hidráulica e capacidade hidráulica ao longo do perfil da camada
estudada (esses valores são apresentados em intervalos de tempo definidos na
configuração do programa)
Water Flow – Boundary Fluxes and Heads – apresentação gráfica do atual e acumulado
fluxo de água em cada uma das fronteiras (inferior e superior), além de informações
gráficas sobre o runoff, água armazenada do solo, infiltração e evaporação
Soil Hydraulic Properties - apresentação gráfica das propriedades hidráulicas do solo
Run Time Information - apresentação gráfica das informações sobre o processo iterativo.
Mass Balance Information – apresenta informações sobre o balanço de massa e as
informações principais do perfil estudado
5.2.1 Camada convencional
5.2.1.1 Análise do teor de umidade dos pontos de observação
O primeiro resultado apresentado pelo programa HYDRUS 1-D (Observation
Points) trata dos valores apresentados nos nós de observação escolhidos. Para a camada
convencional foi estabelecido que os nós selecionados seriam 21, 41 e 61 que
representam respectivamente as profundidades de 20 cm, 40 cm e 60 cm, as mesmas
dos sensores de umidade instalados na camada da célula experimental.
66
A Figura 5.5 apresenta o resultado em termos do teor de umidade. Como era
esperado, os valores para a profundidade de 20 cm apresentam maiores variações e
mais abruptas. Isso ocorre devido à sua proximidade com a superfície, deixando-o mais
suscetível às variações do balanço hídrico condicionadas pela pluviosidade e pela
evaporação. Mas de maneira geral não se percebe uma grande diferença entre os
valores apresentados ao longo da camada de cobertura do modelo.
Figura 5.5 - Teores de umidade, ao longo do tempo, apresentados pelo modelo para os nós
selecionados da camada convencional
A segunda análise realizada neste trabalho visa comparar os dados acima com os
dados obtidos pelos medidores de umidade instalados por LOPES (2011) nas diferentes
camadas de cobertura. Essa comparação objetiva analisar o grau de assertividade do
modelo em relação à realidade auferida. As figuras Figura 5.6, Figura 5.7 e Figura 5.8
apresentam gráficos com pontos obtidos por LOPES (2011) e os valores fornecidos pelo
programa.
25,00%
26,00%
27,00%
28,00%
29,00%
30,00%
31,00%
32,00%
33,00%
34,00%
28/03/2009 06/07/2009 14/10/2009 22/01/2010 02/05/2010 10/08/2010 18/11/2010 26/02/2011
θ(%
)
Data
Modelo computacional (z=20 cm) Modelo computacional (z=40 cm)
Modelo computacional (z=60 cm)
67
Figura 5.6 - Dados de campo e do modelo computacional para a profundidade de 20 cm da
camada convencional
Figura 5.7 - Dados de campo e do modelo computacional para a profundidade de 40 cm da
camada convencional
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
28/03/2009 06/07/2009 14/10/2009 22/01/2010 02/05/2010 10/08/2010 18/11/2010 26/02/2011
θ(%
)
Data
Modelo computacional (z=20 cm) LOPES (2011) (z=20cm)
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
28/03/2009 06/07/2009 14/10/2009 22/01/2010 02/05/2010 10/08/2010 18/11/2010 26/02/2011
θ(%
)
Data
Modelo computacional (z=40 cm) LOPES (2011) (z=40cm)
68
Figura 5.8 - Dados de campo e do modelo computacional para a profundidade de 60 cm da
camada convencional
Os gráficos correspondentes aos pontos de 20 cm e 40 cm (Figura 5.6 e Figura
5.7) apresentam-se bastante próximos aos valores obtidos por LOPES (2011). Além dos
valores, as tendências de aumento e diminuição dos valores do teor de umidade tanto
para os dados experimentais quantos para os da simulação aparentam ser as mesmas,
indicando que em termos de balanço hídrico o modelo se comportou muito bem nessas
duas faixas. O resultado apresentado no nó 61 (60 cm) mostrou uma maior discrepância
em relação aos valores gerados pelo modelo e à tendência das duas curvas.
Como forma de avaliar simplificadamente o erro encontrado entre o modelo e
os dados empíricos, considerou-se como valor do erro o módulo da diferença entre os
dois conjuntos de valores. Além da média, também foi calculada a variância do erro.
Esses valores são apresentados na Tabela 5.2 abaixo.
Tabela 5.2 - Valores dos erros do teor de umidade para diferentes profundidades da
camada convencional
Erro h = 20 cm h = 40 cm h = 60 cm
Média 0,024 0,026 0,051
Variância 0,028 0,018 0,038
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
28/03/2009 06/07/2009 14/10/2009 22/01/2010 02/05/2010 10/08/2010 18/11/2010 26/02/2011
θ(%
)
Data
Modelo computacional (z=60 cm) LOPES (2011) (z=60cm)
69
Apesar de se tratarem de erros consideráveis, os mesmos foram considerados
bastante aceitáveis dadas às limitações em termos de dados para modelagem e
simplificações adotadas pelo modelo. Alguns dos pontos obtidos pelos sensores
apresentam valores muito discrepantes e de certa forma descontínuos em relação aos
outros dados da medição, o que contribui também para o maior valor do erro e da
grande variância em relação à média dos erros.
5.2.1.2 Fluxo de água pela base da camada
Como foi mencionado no Item 3.5.1, LOPES (2011) instalou, nas coberturas
experimentais, lisímetros com o objetivo de entender o comportamento dos diferentes
tipos de camada em termos de infiltração. As características e disposições do mesmo
nas camadas está bem definida no mesmo capítulo.
A seção WaterFlow – Boundary Fluxes and Heads do programa HYDRUS 1-D
permite analisar o comportamento do modelo em termos do fluxo de água que passa
pela base da camada. Em um primeiro momento, a comparação entre o volume
acumulado obtido no programa e o volume medido na saída dos lisímetros de LOPES
(2011) revela resultados muito discrepantes. A Figura 5.9 abaixo apresenta esses
resultados.
Figura 5.9 - Comparação entre os dados de volume acumulado de água percolada pela base
camada convencional
-5,0
-4,5
-4,0
-3,5
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0 100 200 300 400 500 600 700
Vo
lum
e ac
um
ula
do
de
águ
a p
erco
lad
a (c
m)
Tempo (dias)
Lisímetro LOPES (2011) Modelo Computacional
70
Entretanto, ao se observar a comparação dos dados, agora olhando em termos
diários (Figura 5.10), percebe-se que algumas medições executadas por LOPES (2011)
nos primeiros dias de análise apresentam valores muito discrepantes do resto do
período estudado, o que acarreta nessa grande diferença sob a ótica de volume
acumulado. Em termos de dados diários, o modelo se aproximou bastante do resultado
obtido por LOPES (2011) na maior parte do período estudado, ou seja, um volume de
água percolado por dia praticamente nulo.
Figura 5.10 - Comparação entre os dados de volume diário de água percolada pela base da
camada convencional
Independentemente dos resultados, em termos da comparação entre os dados
obtidos com os lisímetros e os dados obtidos pelo modelo, alguns questionamentos
sobre a confiabilidade dos dados experimentais devem ser levantados. Por exemplo, os
lisímetros da forma como foram projetados, podem não impedir a formação de
caminhos preferenciais e assim, não ficaria garantido que o escoamento pela camada
tenha se dado de forma uniforme. Se forem comparados os dados de precipitação e
leituras de volume de água infiltrada pela base da camada, observa-se que as leituras
correspondentes a grandes volumes de infiltração não correspondem a grandes
precipitações. Estas considerações precisariam ser melhor estudadas para se analisar
melhor essa questão.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00
Vo
lum
e d
e ág
ua
per
cola
do
(cm
)
Tempo (dias)
Lisímetro LOPES (2011) Modelo Computacional
71
5.2.1.3 Comportamento do perfil de umidade da camada de
cobertura
O programa HYDRUS 1-D na seção Profile Information, apresenta, como já foi
mencionado no início do Item 5.2, informações referentes a sucção, teor de umidade, e
condutividade hidráulica ao longo do perfil em determinados períodos de tempo. Esta
visualização permite analisar como estas propriedades variam com as estações chuvosas
e secas ao longo do período estudado.
O programa HYDRUS 1-D, entre suas janelas de entradas de dados, apresenta
uma que trata da definição dos Print Times que são os momentos precisos para os quais
o programa irá registrar dados detalhados das propriedades acima no perfil do solo.
Primeiramente cogitou-se definir a obtenção de 19 pontos, um para cada mês de análise
(de 30 em 30 dias). Contudo, o comportamento do perfil ao longo de um mês apresenta
grande variedade principalmente para um lugar onde o regime pluviométrico não é tão
bem definido, portanto um ponto não seria representativo de um mês por completo.
A solução encontrada para entender de forma mais generalizada o
comportamento do solo nesse período foi selecionar o maior número de Print Times
possíveis, (no caso 83, com intervalos de tempo iguais). A Figura 5.11 apresenta o
resultado obtido pelo programa HYDRUS 1-D. O objetivo desta análise não é distinguir o
comportamento do perfil do solo em cada um dos momentos definidos, mas sim
compreender em termos macros qual seria a variação máxima apresentada no perfil da
sucção, do teor de umidade e da condutividade hidráulica.
72
(a)
(b)
(c) Figura 5.11 - a) Sucção b) Teor de umidades e c) Condutividade hidráulica da camada
convencional no intervalo estudado
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
-3000 -2000 -1000 0
h [cm]
Profile Information: Pressure Head
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Theta [-]
Profile Information: Water Content
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 0.005 0.01
K [cm/days]
Profile Inform.: Hydraulic Conductivity
73
A Figura 5.11 a) e b) apresentam a sucção e o teor de umidade ao longo da
cobertura. Como era esperado, nos pontos mais próximos da superfície ocorrem as
maiores variações desses valores ao longo do intervalo de tempo considerado no
trabalho, principalmente devido à forte influência das condições meteorológicas na
interseção entre o solo e o meio externo. Até os primeiros 10 cm de profundidade o solo
apresenta-se em alguns momentos praticamente saturado, com teores de umidade
acima de 33% enquanto em períodos mais secos essa mesma parcela superficial
alcançou teores de umidade inferiores a 25% com altas sucções. Esta grande amplitude
indica uma forte tendência de o solo apresentar fissuras que ao longo do tempo
poderiam levar ao aumento da permeabilidade do solo.
A infiltração de água ocorre pelo perfil de forma bastante lenta devido à baixa
permeabilidade dessa camada, característica claramente exposta na Figura 5.11 c),
onde, apesar de uma certa variação, os valores de permeabilidade da camada
praticamente não ultrapassam o valor de 0,01 cm/dia (aproximadamente 1,16*10-9
m/s). Como consequência da característica desse material, as variações da sucção e teor
de umidade tendem a diminuir com a profundidade, apresentando como menor valor,
na base da camada, uma variação de 400 cm de coluna d’água (40 kPa) e de 3,0%,
respectivamente.
5.2.2 Camada metanotrófica
5.2.2.1 Análise do teor de umidade dos pontos de observação
A camada metanotrófica também teve os seus sensores instalados nas
profundidades de 20 cm, 40 cm e 60 cm, contudo, como foi mencionado, a mesma
precisou ser modelada com uma maior quantidade de nós, fazendo com que as
profundidades acima estivessem correlacionadas com os nós 41, 81 e 121.
Primeiramente, o modelo foi executado utilizando as propriedades hidráulicas
obtidas no Item 4.2.2 por intermédio do programa RETC. Após a análise do teor de
umidade do nó 41, correspondente à camada de solo-composto, e da comparação
prévia desses dados com os dados obtidos com os sensores de LOPES (2011), ficou claro
que o teor de umidade saturado (𝜃𝑠 ) obtido para este material estava limitando a
74
resposta do modelo. Enquanto o modelo estava presumindo que o teor de umidade
saturado para esse material era de 40,0%, dados medidos por LOPES (2011) indicavam
valores de teor de umidade chegando a até 52%. A Figura 5.12 abaixo extraída do
programa mostra claramente o efeito dessa limitação imposta ao modelo.
Figura 5.12 – Teores de umidade ao longo do tempo para as profundidades de 20 cm (N1),
40 cm (N2) e 60 cm (N3) considerando 𝜽𝒔 = 40,0%
Após conversa com o professor M. T. van Genuchten, o mesmo recomendou o
aumento do teor de umidade saturado diretamente nas propriedades inseridas no
HYDRUS 1-D. Van Genuchten recomendou a utilização de um valor próximo de 50 % para
o teor de umidade, levando em conta tanto o fato do mesmo apresentar matéria
orgânica quanto o valor obtido para 𝜃𝑠 pelo modulo “Rosetta” do programa RETC para
o mesmo solo (Tabela 4.3). O novo valor adotado para 𝜃𝑠 foi 50 %.
A Figura 5.13 apresenta o novo valor do teor de umidade encontrado para cada
um dos nós da camada metanotrófica. Além do fato do nó correspondente à
profundidade de 20 cm estar mais próximo da superfície, o que já explicaria a grande
variação do teor de umidade do mesmo ao longo do ano, o mesmo se localiza em um
material (solo composto) bem mais permeável que o solo compactado o que também
contribuí para esta característica. Enquanto o teor de umidade para esta profundidade
chega a apresentar variações da ordem de 20 %, as profundidades de 40 cm e 60 cm
apresentam uma menor variabilidade do teor de umidade ao longo do ano (da ordem
de 14% a menos).
75
Figura 5.13 - Teores de umidade, ao longo do tempo, apresentados pelo modelo para os
nós selecionados da camada metanotrófica
No âmbito da comparação dos dados de campo obtidos por LOPES (2011) com
os obtidos pelo modelo, os resultados foram muito significativos. Apesar do modelo ter
apresentado durante a sua concepção problemas de convergência, o mesmo se mostrou
com um grau de assertividade elevado para as 3 profundidades consideradas, como
pode ser visto nas Figura 5.14, Figura 5.15 e Figura 5.16.
Figura 5.14 - Dados de campo e do modelo computacional para profundidade de 20 cm da
camada metanotrófica
20,00%
25,00%
30,00%
35,00%
40,00%
45,00%
50,00%
55,00%
28/03/2009 06/07/2009 14/10/2009 22/01/2010 02/05/2010 10/08/2010 18/11/2010 26/02/2011
θ(%
)
Data
Modelo computacional (z=20 cm) Modelo computacional (z=40 cm)
Modelo computacional (z=60 cm)
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
50,0%
55,0%
28/03/2009 06/07/2009 14/10/2009 22/01/2010 02/05/2010 10/08/2010 18/11/2010 26/02/2011
θ(%
)
Data
Modelo computacional (z=20 cm) LOPES (2011) (z=20cm)
76
Figura 5.15 - Dados de campo e do modelo computacional para profundidade de 40 cm da
camada metanotrófica
Figura 5.16 - Dados de campo e do modelo computacional para profundidade de 60 cm da
camada metanotrófica
Em todas as profundidades o modelo apresentou comportamento consoante
com os dados obtidos por LOPES (2011), apresentando as mesmas tendências de
saturação e seca. Realizou-se também a análise do erro segundo a mesma metodologia
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
28/03/2009 06/07/2009 14/10/2009 22/01/2010 02/05/2010 10/08/2010 18/11/2010 26/02/2011
θ(%
)
Data
Modelo computacional (z=40 cm) LOPES (2011) (z=40cm)
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
28/03/2009 06/07/2009 14/10/2009 22/01/2010 02/05/2010 10/08/2010 18/11/2010 26/02/2011
θ(%
)
Data
Modelo computacional (z=60 cm) LOPES (2011) (z=60cm)
77
simplificada empregada para camada convencional. O resultado pode ser observado na
Tabela 5.3 abaixo:
Tabela 5.3 - Valores dos erros do teor de umidade para diferentes profundidades da camada
metanotrófica
Erro h = 20 cm h = 40 cm h = 60 cm
Média 0,037 0,013 0,021
Variância 0,037 0,014 0,017
A média dos erros e a variância encontrados tanto para a profundidade de 40 cm
e 60 cm foram menores que os valores obtidos para camada convencional, o que já
indica um bom resultado. Obviamente, cabe a ressalva da carência de dados para o
sensor a 40 cm que apresentou defeito ao longo do experimento. Com relação aos dados
da camada do sensor mais superficial, os valores da variância e da média deram um
pouco mais elevados, contudo, pelo fato do mesmo ter medido valores mais altos de
teor de umidade, o erro em termos percentuais não é tão alto.
A mesma constatação feita sobre a confiabilidade dos valores muito
discrepantes medidos pelos sensores da camada convencional é válida para o caso da
camada metanotrófica. Alguns dos valores medidos fogem da continuidade das
medições o que leva ao aumento do erro e da variância.
5.2.2.2 Fluxo de água pela base da camada
Assim como no caso da camada convencional, a comparação entre os dados
obtidos pelo lisímetro de LOPES (2011) e os que foram obtidos pelo programa HYDRUS
1-D em termos de volume acumulado de água percolada apresenta resultados
divergentes. A Figura 5.17 abaixo apresenta os dois conjuntos de dados obtidos.
78
Figura 5.17 – Comparação entre os dados de volume acumulado de água percolada pela
base camada metanotrófica
Novamente em termos de percolação diária, a maior parte dos dados obtidos
pelo lisímetro coincidem com os resultados do modelo por apresentar percolação
praticamente nula, apesar de um maior número de medições diferentes de zero teriam
sido observadas.
Figura 5.18 - Comparação entre os dados de volume diário de água percolada pela base camada metanotrófica
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600
Vo
lum
e ac
um
ula
do
de
águ
a p
erco
lad
a (c
m)
Tempo (dias)
Modelo computacional Lisímetro LOPES (2011)
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
0 100 200 300 400 500 600
Vo
lum
e d
e ág
ua
per
cola
do
(cm
)
Tempo (dias)
Modelo computacional Lisímetro LOPES (2011)
79
Possíveis respostas para essa discrepância dos resultados foram levantadas
durante a defesa deste trabalho:
A instalação dos lisímetros foi realizada próxima de eventos de chuva intensa o
que poderia acarretar uma maior umidade no solo;
Foram detectadas por LOPES (2011) a presença de fissuras devido à
expansibilidade do solo-composto, decorrente tanto da sua alta permeabilidade
quanto da presença de matéria orgânica;
A reação oxidativa do metano ocorrida no material solo-composto tem como
subproduto a geração de H2O, o que aumentaria a quantidade de água na
camada.
5.2.2.3 Comportamento do perfil do solo ao longo do tempo
A análise do comportamento do perfil da camada metanotrófica é bastante
interessante por tratar da interação entre duas camadas (solo-composto e solo
compactado) com propriedades hidráulicas distintas entre si. Mais uma vez fez se uso
da seção Profile Information, do programa HYDRUS 1-D visando obter as informações
referentes a sucção, teor de umidade, e condutividade hidráulica ao longo do perfil em
determinados Print Times.
Diferentemente da camada convencional o número máximo de Print Times
possíveis foram 48 (com intervalos de tempo iguais). Embora tenha sido um número
menor que a outra camada, o mesmo ainda foi suficiente para realização da análise do
solo. Os resultados estão apresentados na Figura 5.19.
Figura 5.19 a) apresenta a sucção ao longo do perfil. Os primeiros 30 cm
correspondentes à camada solo composto apresenta uma grande variação da sucção
decorrente da sua forte suscetibilidade às condições meteorológicas, fruto da alta
permeabilidade do solo. Valores acima de -10000 cm de coluna d’água (-1000Kpa) são
recorrentes ao longo de todo o material solo composto indicando que o mesmo chega
a trabalhar no trecho residual. Além desse comportamento apresentado em períodos
secos, em períodos úmidos a primeira camada chega a saturar por completo
apresentando valores de sucção próximos de 0 kPa. Essa grande alternância entre os
80
valores de sucção revela o quão importante é para simulação uma boa caracterização
da curva de retenção desde o seu trecho saturado até o trecho residual.
Entretanto, agora observando o comportamento da sucção para os 30 cm finais
correspondentes ao solo compactado, nota-se que o mesmo apesar de acompanhar as
variações da camada superficial, as mesmas são mais restritas por se tratar de um solo
menos permeável. Desconsiderando a resposta obtida na região dos 30 cm que, por
questões de continuidade também chega a sucções acima de -10000 cm de coluna
d’agua, a partir de 40 cm de profundidade a sucção alcança valores mínimos de -2000
cm (-200 kPa).
O mesmo comportamento distinto entre as duas porções da camada
metanotrófica fica claro na Figura 5.19 b. Enquanto o solo mais profundo apresenta uma
variação máxima de 13% do teor de umidade ao longo do período o solo superficial
apresenta uma variação bem mais esparsa de aproximadamente 25%. Tanto a grande
variação do teor de umidade quanto da sucção (que estão correlacionadas) indica uma
tendência à formação de fissuras no solo, o que aumentaria a permeabilidade do solo
ao longo do tempo.
A diferença entre as permeabilidades dos dois materiais fica bastante ressaltada
na Figura 5.19 c). Enquanto os pequenos valores para permeabilidade do solo
compactado não aparecem na escala do gráfico, a permeabilidade do solo composto se
mantém sempre em valores 1000 vezes maiores.
81
(a)
(b)
(c) Figura 5.19 - a) Sucção b) Teor de umidade e c) Condutividade hidráulica da camada
metanotrófica no intervalo estudado
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
-10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0
h [cm]
Profile Information: Pressure Head
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Theta [-]
Profile Information: Water Content
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 5 10 15 20 25
K [cm/days]
Profile Inform.: Hydraulic Conductivity
82
6 CONCLUSÃO
Apesar de se tratar de apenas uma etapa de um projeto de aterro sanitário, o
estudo de camadas de cobertura de aterros sanitários em termos de infiltração se trata
de um assunto complexo, interdisciplinar, vasto e interessante. Inúmeras são as
referências citadas e não citadas neste trabalho que abordam o tema e que continuam
a desenvolver novas tecnologias e novos conhecimentos sobre o mesmo.
A oportunidade de utilizar uma ferramenta numérica para modelar uma
condição real e possuir dados experimentais para uma posterior validação do modelo
valoriza demasiadamente o estudo e abre espaço tanto para a busca pela melhoria do
modelo quanto para a apresentação de críticas construtivas.
6.1 Considerações
As dificuldades encontradas ao longo do trabalho e as possíveis influências das
mesmas nos resultados foram importantes para elaboração das seguintes
considerações:
A obtenção de dados de retenção representativos do solo estudado, abrangendo
desde a zona saturada da curva de retenção até a zona residual se faz bastante
necessária para um bom ajuste dos mesmos às curvas de retenção teóricas
existentes. Existem alguns ensaios possíveis para a obtenção desses pontos,
sendo que a utilização de ensaios diferentes mais adequados para cada trecho
da curva pode gerar resultados mais satisfatórios;
Sob a visão das curvas de retenção teóricas, é importante identificar a
abordagem mais adequada para o ajuste da curva, neste trabalho, apenas foi
considerado o modelo de van Genuchten – Mualem com o intuito de simplificar
a análise;
83
A carência de dados de retenção de um dos materiais que compõem a barreira
capilar (pedra britada tipo rachinha), inviabilizou a modelagem desta camada de
cobertura. Houve tentativas de se obter parâmetros da curva de retenção para
um material similar através de outras referências bibliográficas, mas as mesmas
não obtiveram resultado;
A discrepância entre os resultados obtidos pelos lisímetros de LOPES (2011) e os
resultados obtidos neste trabalho pode estar ligada às dificuldades encontradas
por LOPES (2011) na manutenção das características originais da área de estudo
durante a instalação dos infiltrômetros, já que os mesmos só foram instalados
um ano de execução das camadas de cobertura;
Alguns dos sensores apresentaram falhas nas medições, o que limitou a
confiabilidade da comparação entre os dados de campo e os do modelo;
A formação de caminhos preferenciais nas camadas de cobertura não foi
considerada no modelo, por questões de simplificação, o que caracterizaria uma
possível deturpação do resultado, vide o fato desses caminhos influenciarem na
permeabilidade do material e consequentemente na infiltração;
Não foi considerada a existência de vegetação sobre as camadas de cobertura
por carência de informações, apesar de as mesmas influenciarem diretamente
no balanço hídrico devido à transpiração;
Outras condições de contorno para o modelo poderiam ser testadas,
principalmente para a base da camada de cobertura.
6.2 Conclusões
Este trabalho buscou alcançar os seguintes objetivos, já apresentados no
Capítulo 1.2:
Realizar uma revisão bibliográfica de mecânica dos solos não saturados e camadas
de cobertura;
A revisão bibliográfica realizada pelo trabalho aborda de maneira
simplificada todos os assuntos pertinentes para o desenvolvimento teórico do
84
trabalho dando o devido embasamento para compreensão tanto da metodologia
quanto dos resultados obtidos.
Analisar o modelo hidrológico da região;
A partir da obtenção de dados meteorológicos da estação Recife-Curado
como a pluviosidade, e as temperaturas máximas e mínimas, as quais foram
utilizadas para estimativa da evaporação da região, foi possível montar o modelo
hidrológico da região, identificando os períodos de excedentes e déficits
hídricos.
Estudar e analisar as ferramentas numéricas RETC e HYDRUS 1-D;
A intensa utilização dessas ferramentas numéricas permitiu uma maior
compreensão do seu funcionamento e permitiu a realização de análises mais
aprofundadas do comportamento das camadas de cobertura quanto à infiltração
de água.
Realizar ajuste de uma curva de retenção teórica utilizando o programa RETC para
solos diferentes utilizando dados experimentais obtidos por LOPES (2011)
O ajuste da curva característica teórica proposta por van Genuchten se
mostrou, resguardas as devidas considerações do Item 6.1, adequado para os
pontos de retenção obtidos nos ensaios realizados por LOPES (2011).
Elaborar modelo computacional pelo programa de análise numérica, HYDRUS 1-D,
de diferentes camadas de cobertura existentes e executá-lo para condições de
contorno pré-estabelecidas
O modelo computacional de duas camadas de cobertura foi elaborado
pela ferramenta de análise numérica HYDRUS 1-D. Todos os cuidados
necessários para concepção do modelo foram apresentados tanto no Capítulo 4
quanto no Capítulo 5, descritos de maneira bastante detalhada de modo a se
aproximar ao máximo da condição encontrada em campo. Inevitavelmente,
algumas simplificações tiveram que ser adotadas na concepção do modelo, mas
as mesmas não inviabilizaram a execução dos modelos da camada convencional
e da camada metanotrófica.
Validar o modelo através da comparação de seus resultados com dados medidos
em campo por LOPES (2011).
85
A comparação entre os resultados obtidos pelo modelo das duas
camadas e os resultados obtidos por LOPES (2011) foi bastante significativa e
indicou uma boa resposta do modelo. Tendo em conta as considerações
apresentadas acima, as discrepâncias obtidas entre os resultados dos lisímetros
e o fluxo de água pela base da camada do modelo não desqualificam o modelo
prontamente, mas estimulam um estudo mais aprofundado sobre a questão.
Contudo, a comparação entre os dados dos sensores de umidades obtidos por
LOPES (2011) e o valor do teor de umidade para as diferentes profundidades,
tanto da camada convencional quanto da camada metanotrófica, apresentou
resultado extremamente válido, vide o baixo erro apresentado, levando em
conta as limitações apresentadas ao longo do trabalho, e o comportamento
similar em termos de tendências de ressecamento e saturação. Tais resultados
contribuem para que o modelo seja considerado válido, incentivando a busca
pelo seu melhoramento.
86
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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