ANÁLISE NUMÉRICA DE INFILTRAÇÃO EM CAMADA...

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


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


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


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 5.9 - 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


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


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 5.17 – 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


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



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.

http://www.pc-progress.com/

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


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


68


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.


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


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


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


76





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


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


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

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