Modelling soil water infiltration basing in the Green-Ampt-Mein-Larson equation

O conhecimento do processo de infiltração da água no solo é de extrema importância para diversas áreas da engenharia de conservação de água e solo. O modelo de Green-Ampt-Mein-Larson (GAML) é um dos mais utilizados para a simular a infiltração por ser relativamente simples e por vir apresentando bons resultados na estimativa do processo. Todavia, a difícil determinação dos parâmetros de entrada de GAML e o fato destes parâmetros não representarem efetivamente as condições reais de ocorrência da infiltração ainda dificultam sua aplicação. O presente trabalho teve o objetivo de melhorar a estimativa da infiltração de água no solo, considerando, para tal, duas vertentes distintas e independentes: uma baseada em uma análise físico- matemática mais detalhada do processo de infiltração e do deslocamento da frente de umedecimento pelo perfil do solo; e outra baseada em simples adequações dos parâmetros de entrada de GAML. Desenvolveu-se um novo modelo para a estimativa da infiltração de água no solo (GAML-c), fundamentado no GAML, baseando-se numa descrição mais aproximada da geometria e do deslocamento da frente de umedecimento. O GAML-c realiza uma discretização do teor de água para o qual o solo é umedecido quando da ocorrência do processo de infiltração, simulando o deslocamento simultâneo de diversas sub-frentes de umedecimento pelo perfil do solo. Paralelamente, propôs-se, também, a adequação dos parâmetros de entrada de GAML, a saber: substituir o teor de água do solo na saturação (θ s ) pelo teor de água na zona de transmissão (θ w ); substituir a condutividade hidráulica do solo saturado (K 0 ) pela taxa de infiltração estável (Tie); e calcular o potencial matricial na frente de umedecimento (ψ f ) por meio de uma equação baseada na condutividade hidráulica relativa aos teores de água inicial do solo (θ i ) e da zona de transmissão, e dos parâmetros pressão de borbulhamento (ψ b ) e índice de distribuição do tamanho de poros (λ), oriundos do ajuste da curva de retenção de água no solo feito pelo o modelo de Brooks & Corey. O conjunto de adequações propostas foi denominado GAML-t, não tendo qualquer relação com o procedimento GAML-c. Testes experimentais foram realizados em laboratório a fim de determinar a infiltração em três diferentes classes de solo: Argissolo Vermelho (PV), Latossolo Vermelho (LV) e Latossolo Vermelho-Amarelo (LVA). Avaliou-se o desempenho de GAML-c e de GAML-t, comparando-os com o modelo de GAML aplicado em sua forma original e também adequado segundo cinco diferentes propostas. O GAML-c foi avaliado considerando quatro diferentes cenários, relativos à consideração dos parâmetros de entrada K 0 e θ w : K 0 igual à Tie e θ w experimental (TW); K 0 determinado pelo permeâmetro de carga constante e θ w experimental (KW); K 0 igual à Tie e θ w igual a θ s (TS); e K 0 determinado pelo permeâmetro de carga constante e θ w igual à θ s (KS). Verificou-se que o GAML-c aplicado utilizando-se os parâmetros da simulação TW foi capaz de estimar o perfil de umidade do solo, provendo estimativas de infiltração aceitáveis em todos os tipos de solo estudados; mas ainda necessitando de ajustes. O GAML-t foi capaz de prover boas estimativas da infiltração de água em todos os solos estudados, sendo recomendado para aplicação na estimativa de infiltração.Knowledge of water infiltration process is extremely important to many areas of Soil and Water Conservation Engineering. Gren-Ampt-Mein-Larson infiltration model (GAML) is one of the models that are most used to predict infiltration process because of its relative simplicity and encouraging results. However, the major obstacle in using GAML model is not just due to the difficulties in estimating it's parameters, but also due to the fact these parameters do not represent field infiltration conditions. This study have had the objective of give better alternatives in predicting infiltration process, considering two different ways: one based on a most detailed physical-mathematical analysis of the infiltration process and of the wetting front movement through the soil profile; and other one based on simple modifications of GAML model parameters. It was developed a new model to simulate infiltration process (GAML-c) that is based on GAML model, and that provides a better description of the wetting front geometry and displacement through the soil profile. GAML-c model simulates the simultaneous displacement of many sub-wetting fronts through the soil profile. It was also proposed the following modifications in GAML model parameters: replace the saturation moisture content parameter (θ s ) with the "filed saturation" moisture content (θ w ); replace the saturated hydraulic conductivity parameter (K 0 ) with the infiltration rate after long time of wetting (Tie); and calculate wetting front suction head (ψ f ) by the use of an equation that makes use of relative hydraulic conductivity in the initial soil moisture (θ i ) and "field saturation" moisture, and also of Brooks & Corey bubbling pressure and pore-size distribution index parameters. These three modifications were called GAML-t and do not have any relation to GAML-c model. Experimental infiltration tests were conduced at laboratory using three different soil types: Red Ultisol (PV), Red Oxisol (LV) and Red-Yellow Oxisol (LVA). The performances of GAML-c model and GAML-t modifications were evaluated and compared to the performances of GAML model applied with its original and modified parameters. Five different ways of modify GAML parameters were used. GAML-c was evaluated using four different scenarios: considering K 0 equals to Tie and the maximum soil moisture equals to θ w (TW); considering K 0 value determined by constant-head permeameter method and the maximum soil moisture equals to θ w (KW); considering K 0 equals to Tie and the maximum soil moisture equals to θ s (TS); and considering K 0 value determined by constant-head permeameter method and the maximum soil moisture equals to θ s (KS). It was verified that GAML-c model applied using TW scenario was able to simulate soil water profile, giving acceptable prediction of infiltration to the three soil types. However, GAML-c still needs better development. GAML-t was able to give very good predictions of infiltration to the three soil types, being strongly suggested to simulate infiltration process.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio