Modelagem hidrológica aplicada ao balanço vertical de água no solo

Abstract

A modelagem matemática do ciclo hidrológico é uma poderosa ferramenta para melhor compreender e representar os processos existentes na bacia hidrográfica. O recente avanço nos recursos computacionais, na criação de novas bases de dados digitais e na compreensão dos processos hidrológicos tem permitido o desenvolvimento de modelos hidrológicos com alta base física, incorporando representações mais fidedignas dos sistemas ambientais. Neste contexto, este trabalho estuda representações matemáticas dos processos hidrológicos, com ênfase na solução numérica da equação de Richards para fluxos de água no solo, e apresenta o desenvolvimento de um modelo de balanço vertical de alta base física. Os processos representados são interceptação vegetal, evapotranspiração e escoamentos superficial, sub-superficial e subterrâneo. Foram realizados experimentos sintéticos a fim de explorar a representação dos diversos processos hidrológicos. Os fenômenos de infiltração e secagem do solo foram bem representados, com erros numéricos aceitáveis. O modelo foi então aplicado a uma região de solo argiloso da bacia do rio Taquari-Antas (RS), utilizando uma discretização da coluna de solo de 150 camadas. Além disso, os resultados do modelo multi-camadas foram comparados com um modelo simplificado do tipo bucket (uma camada de solo), a fim de avaliar os ganhos de uma representação mais física na modelagem. Apesar de as conclusões não serem definitivas, avaliou-se que o modelo bucket é mais suscetível a processos de secagem e saturação, possivelmente pela consideração implícita de macroporos neste. Os fluxos de água no solo argiloso do modelo multi-camadas são bastante lentos. Além disso, os escoamentos superficiais apresentaram mecanismos de geração distintos entre os modelos, sendo excesso de infiltração preponderante no multi-camadas, e excesso de saturação o utilizado no bucket. Por fim, as distintas representações dos fluxos subterrâneos geraram comportamentos diferentes entre os modelos, sendo que no bucket estes variaram de acordo com eventos de chuva, ao passo que no multi-camadas agiram em resposta a uma temporada de chuvas. A incorporação do nível das águas subterrâneas no modelo é relevante para a melhor descrição deste processo.

Numerical modelling of the hydrological cycle is a powerful tool to better understand and represent processes that occur within a catchment. Recent advances in computational resources, the creation of new digital databases and the comprehension of hydrological processes have allowed the development of new physically based hydrological models, incorporating more realistic representations of the environmental system. In this context, this work studies mathematical representations of hydrological processes, focusing on the numerical solution of Richards equation for water fluxes in soil, and presents the development of a physically based vertical balance model. Vegetal interception, evapotranspiration, runoff and subsurface and groundwater flows are the represented processes. The adopted solution represented satisfactorily soil wetting and drying processes, while acceptable numerical errors were obtained. The model was applied to a region within a mini-basin of River Taquari-Antas catchment, using a soil discretisation of 150 layers for a simulation period of ca. three years. Moreover, model results were compared to a simplified bucket model in order to evaluate the gains obtained with a more physically based modelling strategy. Although the conclusions are not definitive, and the existing necessity of tests in different regions with other types of soil, it could be delineated that the bucket model is more susceptible to wetting and drying processes, probably due to its implicit consideration of macropores. Water fluxes in the multi-layered model clayey soil are very slow. Moreover, runoff generation mechanisms were distinct between models, where infiltration excess was more important in the multi-layered model, while saturation excess was the process considered in the bucket. Lastly, the distinct groundwater flow representations led to different behaviours between the models. In the bucket it varied according to rainfall events, while for the multi-layered model it acted as a response to a whole wet season. Incorporation of groundwater level in the model is relevant to better describe this process.