Canal de fluxo instrumentalizado: fluxo bidimensional da água em areia não saturada para teste do aparato



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Canal de fluxo instrumentalizado: fluxo bidimensional da água em areia não saturada para teste do aparato

Sousa, R. P.

PEI/UFBA, Departamento de Tecnologia/UEFS, Salvador, BA; Bahia, riseuda.sousa@gmail.com.
Oliveira, I. B.

Departamento de Engenharia Ambiental/UFBA, Salvador, BA, Brasil, oliveira@ufba.br.


Machado, S. L.

Departamento de Ciências e Tecnologias dos Materiais/UFBA, Salvador, BA, Brasil, smachado@ufba.br.


Sales, E. A.

Departamento de Físico-Química /UFBA, Salvador, BA, Brasil, eas@ufba.br.



Resumo: Este artigo apresenta o teste de um canal para ensaios de fluxo bidimensional em solos não saturados, manufaturado em aço inoxidável e vidro, com 200 cm de comprimento e 15 cm de espessura. O canal tem acoplamentos para instalação de tensiômetros e sistema computadorizado para aquisição das leituras da tensão intersticial com respeito à água e ao NAPL. O reservatório para disposição do líquido no solo, em aço inoxidável, tem fundo poroso de bronze sinterizado, e, piezômetro, para medida do nível do líquido. No teste do sistema, a areia foi compactada em finas camadas, para permitir um meio poroso homogêneo. O experimento de infiltração da água comprovou os seguintes aspectos: a capacidade dos tensiômetros medirem a tensão intersticial na frente líquida em tempo real; a funcionalidade do reservatório e sua conexão hidráulica com o solo; e a possibilidade de monitoramento visual do experimento, com o registro das posições da frente líquida. Ao final do experimento, a retirada de alíquotas de solo simultaneamente com a medida da tensão intersticial, permitiu o cálculo da umidade, por gravimetria, e a construção da curva de retenção do solo. A determinação dos parâmetros de fluxo (sucção e condutividade hidráulica) permitiu a modelagem matemática do fenômeno.
Abstract: This paper presents the test of a flow channel for two-dimensional experiments on unsaturated soils, in stainless steel and glass, with 200 cm of length and 15 cm of thickness. The channel is equipped with tensiometers connected to a computerized system for data acquisition, to read the water suction and the NAPL suction at the soil. The reservoir for the liquid disposal at the soil, in stainless steel, has a porous bottom, made of sinterized brass, equipped with a piezometer for measuring the liquid level. For the system test, the sand was compacted in fine layers to allow a homogeneous porous media. The water infiltration experiment proved the following aspects: the tensiometers ability to measure the suction at the liquid front, at the moment of the wet front passage; the liquid reservoir functionality and the hydraulic connection with the soil; and the possibility of the wet front visual track. At the end of the experiment, the soil sampling, simultaneously with the suction measurement, allowed the calculation of the soil liquid content, gravimetrically, and the construction of the retention curve. The acquisition of the flow parameters (capillarity and hydraulic conductivity) allowed the phenomenon mathematical modeling.
Palavras chave: Fluxo bidimensional, solos não saturados, canal instrumentalizado.

Key words: Multiphase flow, unsaturated soils, instrumented channel.



  1. INTRODUÇÃO

Pesquisas de natureza teórica e experimental vêm sendo efetuadas com o intuito de descrever o fluxo e transporte de solutos e das fases líquidas não-aquosas - NAPL (Non-Aqueous Phase Liquid), tanto na zona não saturada do solo, como na região da franja capilar e no aquífero. Dentre os mais relevantes estudos matemáticos e computacionais desenvolvidos para modelar o fluxo do NAPL no subsolo tem-se os de Abriola e Pinder (1985), Kaluarachchi e Parker, (1989) e Lenhard et al, (2004). A capacidade de previsão desses modelos, com base nas suposições matemáticas assumidas para o fluxo, tem sido confirmada em casos particulares de contaminação. Entretanto, de um modo geral, as previsões precisam ser confrontadas com dados obtidos em laboratório ou campo. Kueper et al. (1989) destacou a necessidade da compreensão do fluxo multifásico sobre variadas condições hidrogeológicas, demandando, para isso, estudos experimentais, efetuados sob variadas condições de campo.

Dentre os experimentos laboratoriais de fluxo no meio poroso, realizados em canal de fluxo, os bidimensionais de Schiegg (1990), Host-Madsen e Jensen (1992), Oliveira (1995), Butts e Jensen (1996), Schroth et al. (1998), Kamon et al. (2004), Kechavarzi et al. (2005), relatam o emprego de técnicas não invasivas bem como de técnicas invasivas para a medida de parâmetros de transporte. As técnicas não invasivas para a determinação da umidade no solo foram: atenuação por raio gama ou raios-X; e transmissão de luz visível produzida por lâmpadas fluorescente, capturada por câmara colorida CCD. As técnicas invasivas para a medida da sucção no solo foram: tensiometria e condutividade elétrica. Nessas pesquisas foi investigado o fluxo dos seguintes líquidos: água, etileno glicol, 4-clorotolueno, n-hexanol, óleo mineral, hidrofluoreto, soltrol 220, em diferentes tipos de solos. Alguns desses trabalhos deram ênfase ao estudo e estabelecimento de relações constitutivas necessárias na modelagem matemática do fluxo multifásico na zona vadosa, enquanto no trabalho de Kamon (2004) tratou-se da caracterização do fluxo de DNAPL na zona saturada considerando, ou não, o fluxo da água subterrânea. Silliman et al (2002) desenvolveram experimentos bidimensionais do transporte de solutos na franja capilar, em meios porosos homogêneos e heterogêneos, em canal de dimensões (1,0 x 0,8 x 0,10 m). Já o estudo de fluxo bidimensional realizado por McDowell e Powers (2003) analisou, utilizando técnica de imagem, o espalhamento da gasolina e do gasoalcool (gasolina com 10% de álcool em volume) na zona vadosa e franja capilar, com ênfase na observação do fenômeno de particionamento do etanol nestes compartimentos.

Dando sequência aos estudos bidimensionais do fluxo de NAPL, o presente trabalho apresenta a montagem de um canal de fluxo instrumentalizado, em escala laboratorial, para a realização de experimentos de infiltração com carga variável, em solo não saturado.





  1. CARACTERÍSTICAS DO SOLO E DO LÍQUIDO

O solo utilizado nos experimentos é uma areia de duna dos cordões litorâneos da Região Metropolitana de Salvador – RMS, de idade Quaternária, com um teor de areia de 100% e classificação NBR 6502 – areia média a fina, e classificação SUCS – SP areia mal graduada.

A Figura 1 apresenta a curva granulométrica para amostra da areia utilizada nos experimentos, demonstrando a característica de areia mal graduada.


Figura 1. Curva granulométrica da areia de duna.
As curvas de retenção, para as amostras de areia de duna num sistema de fluxo bifásico água-ar estão apresentadas nas Figuras 2 e 3. Estas curvas foram obtidas na câmara de vaporização desenvolvida por Sousa et al. (2011) e os ajustes matemáticos obtidos com o modelo de Van Genuchten (1980), Figura 2;


Figura 2. Curvas de sucção e ajustes obtidos com o modelo de Van Genuchten (1980).
e o modelo de Brooks & Corey (1966), Figura 3.


Figura 3. Curvas de sucção e ajuste obtidos com o modelo de Brooks & Corey (1966).

A relação funcional estabelecida por Van Genuchten (1980) para os parâmetros umidade volumétrica e sucção é dada por:


, (1)
onde α, m e n são parâmetros de ajuste, sendo:

m = 1/(n1).

A equação 2 apresenta a relação funcional estabelecida por Brooks & Corey (1966) para os parâmetros sucção e saturação efetiva, :


(2)
Sendo λ um índice de distribuição de poros associado a textura do solo e ψb a pressão de entrada de ar.

Rathfelder and Abriola (1998) encontraram grandes diferenças para o ajuste de dados de sucção em areia Borden com os modelos VG e BC na região de umidade máxima (θs).

Nesta região, o modelo BC tem inclinação dψ/dθ ou dψ/dS nula, e é capaz de definir o valor da pressão de entrada de ar. Já o modelo VG subestima o valor da pressão de entrada de ar, porém se ajusta mais adequadamente para o intervalo completo de sucção, além da região de saturação.

A Tabela 1 apresenta parâmetros hidráulicos para a areia de duna utilizada nos experimentos. Os dados experimentais da curva de retenção foram obtidos com a técnica de vaporização (Oliveira, 1995 e Sousa et al. 2011) e os parâmetros de ajuste não linear foram obtidos com o modelo de van Genuchten (1980). O coeficiente de permeabilidade foi medido em permeâmetro de parede rígida.

Para o ensaio preliminar do desempenho do canal de fluxo utilizou-se água distribuída pela concessionária da RMS - Empresa Baiana de Saneamento (EMBASA) - deixada em repouso para perda de cloro residual. As propriedades da água à 28ºC, de acordo com a literatura são: densidade, ρ=0,99 g.cm-3; viscosidade, μ=0,81 cp; pressão de vapor, Pv=27,95 mmHg; constante dielétrica, ε=80,0; e tensão superficial, σ=72 dina.cm-1.



  1. PROTOCOLO DE COMPACTAÇÃO DO SOLO

Foi construído um modelo reduzido do canal de fluxo, com semelhança geométrica e materiais similares aos utilizados na confecção do canal, para evitar distorções nas observações. A miniatura do canal foi confeccionada em vidro de 8 mm de espessura, base 40x13,5 cm² e altura de 40 cm. Neste modelo reduzido foram executados os seguintes estudos: desenvolvimento do protocolo de compactação do solo e estudo e modelagem do fenômeno de ascensão capilar. Para isso, no fundo do modelo reduzido foi introduzida uma camada de geodreno (Macdrain 2L) para permitir o rápido espalhamento da água fornecida por dois tubos Mariotte, situados lateralmente, que durante o experimento fornecem a água necessária para a ascensão da franja capilar e as eventuais perdas por evaporação, uma vez que o experimento é aberto à atmosfera.

Para a execução do processo de compactação foi confeccionado um soquete metálico com massa fixa de 4 kg e cabo ajustável, possibilitando assim também a sua utilização no canal de fluxo. A meta da compactação foi levar a densidade seca da areia a valor similar à do solo na condição de densidade máxima (ρd = 1,72 g.cm-3). Para tanto adotou se a metodologia de compactação desenvolvida por Oliveira (1995) que consiste na distribuição do solo em finas camadas seguida da compactação com o uso do soquete descrito acima.

A Figura 3 mostra o processo de compactação do solo e a Figura 4, a miniatura do canal contendo areia de duna com ensaio de ascensão capilar em andamento.








Tabela 1 Parâmetros hidráulicos para areia de duna










Curva de retenção




Coeficiente de Permeabilidade

Densidade








Parâmetros de

van Genuchten



(1980)

Parâmetros Brooks & Corey (1966)

m

n

α

λ

ψb




K (m s-1)

(kg.m-3)

(m3.m-3)

(m3.m-3)

(-)

(-)

kPa-1

(-)

kPa

Exp#01

1,20E-004

1720

0,0120

0,370

0,822

5,59

0,278

2,45

3,01

Exp#02

1724

0,015

0,370

0,803

5,08

0,222

2,48

3,50

Exp#03

1721

0,004

0,372

0,806

5,15

0,258

2,13

3,00





Figura 3. Vista da câmara durante o processo de compactação da areia de duna.


Figura 4. Vista da câmara com areia de duna e do tubo Mariotte que fornece água para a ascensão capilar.
O experimento de ascensão capilar teve o objetivo de se conhecer o tempo necessário para que, uma vez estabelecido o nível da água na base do canal, a franja capilar atingisse a marca de 5 cm. Esta informação é importante, pois durante o experimento do canal uma elevação demasiada da camada capilar pode limitar as observações do processo de infiltração. Para isso, após a compactação do solo, a água é aplicada nos dois reservatórios laterais do canal, através do acionamento dos dois tubos Mariotte que fornecem água de forma contínua, enquanto a pressão hidrostática fica estabilizada na altura pré-definida. Encerrado o experimento, foram retiradas amostras do solo ao longo do perfil vertical para determinação da densidade do meio e verificação da eficiência do protocolo de compactação. A partir dos experimentos da miniatura do canal foi estabelecido o protocolo de compactação para o canal de fluxo. Esse protocolo de compactação envolve a deposição sucessiva de camadas de areia, com massa de aproximadamente 2,3 kg cada, no estado de terra fina seca ao ar (TFSA). Cada camada deve ser distribuída ao longo do canal e compactada com um socador de aço de 7 kg, especialmente desenvolvido para o processo.

  1. MONTAGEM DO CANAL DE FLUXO INSTRUMENTALIZADO




  1. Canal de fluxo

O canal instrumentalizado foi construído para ensaios de fluxo bidimensional na zona não saturada do solo, até atingir a franja capilar em sua base. O canal foi construído em aço inoxidável e vidro, com dimensões 200 x 120 x 15 cm. O comprimento de 200 cm foi escolhido para garantir uma condição de contorno similar, da escala de laboratório (dimensão do reservatório de NAPL) com a condição de campo (tanque de combustível em refinarias de petróleo). A altura de 120 cm foi escolhida para permitir a formação de um bulbo vertical e o espalhamento lateral no topo da franja capilar. A espessura de 15 cm foi estabelecida conforme a recomendação de Schiegg (1990) para evitar efeito de parede. O vidro temperado das duas laterais e da frente do canal foi utilizado para permitir a visualização do experimento. O aço inoxidável tipo 316 foi utilizado para dar resistência ao canal. Entretanto, sua superfície interna, base e parede de fundo, foram revestidas com epóxi e recobertas por uma fina camada de areia para garantir a similaridade mineralógica ao meio poroso, minimizando-se também, assim, os efeitos de parede.

Na parede de fundo do canal foram fixados 30 acoplamentos (Figura 5), destinados à instalação de 30 tensiômetros, 15 para leitura da sucção com respeito à água (A) e 15 para leitura da sucção com respeito ao NAPL (O). As paredes laterais dispõem de aberturas na parte inferior que possibilitam a entrada da água, fornecida pelo permeâmetro Guelph (Figura 6), para formação do nível freático e franja capilar na base do solo acomodado no canal.



Figura 5. Vista da parede do fundo do canal, em aço inox.
A Figura 6 mostra uma vista frontal do canal, pronto para realização do primeiro experimento, com areia compactada; o equipamento Guelph, para fornecimento de água na base do canal; e o reservatório para dispensar o líquido permeante, simulando um vazamento. O reservatório instrumentalizado está mostrado na Figura 7.


Figura 6 - Vista frontal do canal com areia compactada, do Guelph e do reservatório do líquido situado no topo do solo.


Figura 7-Reservatório do líquido de fundo poroso contendo bolsa de lona e transdutor acoplado.
O reservatório mostrado na Figura 7 foi confeccionado em aço inox 304 com capacidade máxima de 15 litros, com dimensões: 50 cm de altura e base de 15 x 20 cm. O fundo poroso foi confeccionado em bronze sinterizado com abertura nominal de 5μm (Filtros Free Ind. Com. Ltda, São Paulo-SP). Na parede lateral inferior do equipamento foi instalado um transdutor para leitura do nível do líquido durante o experimento (Modelo MKGPT 100; MK Controle e Instrumentação LTDA-EPP, São Paulo-SP). Testes preliminares do reservatório mostraram que o fundo poroso permitia uma vazão com taxa muito acima da taxa de infiltração na areia. Para tornar a vazão adequada ao experimento, foi confeccionada uma coluna em lona, para ser colocada no interior do reservatório de aço. As laterais da coluna de lona foram impermeabilizadas com cera de abelha.

Após a realização do segundo experimento com água infiltrando em areia de duna, ocorreu um abaulamento das vigas de aço que dão suporte ao vidro do canal, sendo necessário o seu reforço por intermédio da uma treliça externa como mostrado na Figura 8. Nessa figura fica visível a parede de fundo do canal em aço, revestida de massa epóxi; e a calha metálica perfurada colocada na base para facilitar a distribuição da água e formação da franja capilar.




Figura 8. Vista do canal, com as barras de reforço da estrutura em aço, e da calha colocada na base.
A Figura 9 mostra o canal de fluxo após ser reforçado e em processo de compactação da areia.


Figura 9. Vista do canal em processo de compactação da areia.



  1. Tensiômetros e sistema de aquisição de dados.

O tensiômetro utilizado neste trabalho tem modelo apresentado na Figura 10.




Figura 10 - Tensiômetro de baixa capacidade e luva de acoplamento com ponta porosa.
O tensiômetro é constituído de transdutor de pressão do tipo diafragma (Marca MKGPT 1000, MK Controle e Instrumentação LTDA-EPP, São Paulo-SP). O tensiômetro foi acoplado a uma luva em aço inox 316 com ponta porosa para ser inserida no solo (Figuras 10). A luva apresenta, numa das extremidades, cavidade com 12 mm de profundidade e rosca fêmea NTP de ¼ para união com o transdutor; e na outra, uma ponta com cava de 5 mm de profundidade e 6,5mm de diâmetro, para a acomodação da pedra porosa. A câmara no interior do tensiômetro (da ponta porosa ao diafragma) tem volume interno de aproximadamente 200 mm3.

No teste do canal foram utilizados somente os quinze (15) tensiômetros para monitorar o avanço da frente úmida aquosa em areia, acoplados na parede de fundo do canal (Figura 11).




Figura 11 – Vista da pare de fundo do canal com tensiômetros acoplados.
Os tensiômetros são conectados a um sistema de aquisição de dados analógico computadorizado (PLC e controlador Modelo MCI02-QC, HI Tecnologia Indústria e Comércio Ltda, São Paulo-SP), com software de aquisição. A leitura dos tensiômetros referente a sucção da água no solo, em várias posições na parede de fundo do canal, é registrada pelo sistema de aquisição que supervisiona e armazena os dados periodicamente. Para calibração, os tensiômetros são acoplados ao sistema de aquisição de dados, e submetidos a diferentes valores de pressão hidrostática, variando de -15 à +15 kPa, utilizando-se um manômetro de coluna de água. O tempo de resposta dos tensiômetros, operando conjuntamente, foi mensurado, submetendo-se o conjunto de tensiômetros à pressões de 8 kPa e de 16 kPa por um período de 10 minutos. Para isso, foi confeccionada uma câmara de Nylon para acomodação do liquido (base); e tampa com furos para inserção das pontas porosas, a serem mantidas em contato com líquido durante calibração dos tensiômetros.

As pontas porosas são confeccionadas em material cerâmico de alumina (Modelo 0604D04-B01M1, Soilmoisture Equipment Corporation, USA) com valor nominal de entrada de ar de 100 kPa. A partir de uma placa porosa com diâmetro de 130 mm é efetuada a moldagem das pontas porosas em pequenos cilindros, com dimensões de 6 mm de diâmetro e 7 mm de altura, mediante uso de uma broca vazada com ponta diamantada (Glassvetro, São Paulo-SP). Os pequenos cilindros, após escavação, adquirirem o formato de copo os quais são colados, com massa epóxi, às luvas de acoplamento. A saturação das pontas porosas se dá com aplicação de vácuo, dentro de uma câmara especialmente construída para o procedimento de saturação das mesmas.

Para medir a saturação do solo, após o ensaio no canal de fluxo, foi feita a coleta de alíquotas do solo em diversos pontos, utilizando-se pequenos tubos de alumínio com dimensões de 150 mm de comprimento por 6,35 mm de diâmetro, com ponta biselada e tampas plásticas. O solo coletado foi pesado úmido e seco e a saturação foi determinada por gravimetria. No instante da coleta do solo, foi anotado o valor da sucção atuante no solo naquela posição.



  1. EXECUÇÃO DO ENSAIO DE FLUXO BIDIMENSIONAL

No primeiro ensaio do fluxo bidimensional da água em areia, o líquido dispensado no topo da coluna se infiltrou de modo transiente até encontrar a franja capilar, na base do canal, cujo nível de água foi mantido constante por equipamento Guelph (Soilmoisture Equipment Corp., USA). A coluna de areia com altura de 115 cm foi compactada com densidade aparente seca de 1,72 g.cm-3. Nesse ensaio, após 25,26 minutos do inicio do experimento, aproximadamente 8,82 litros de água havia se infiltrado no topo da coluna; enquanto isso, a frente úmida descendente alcançou a franja capilar, numa altura de 3,8 cm a partir da base do canal.

A modelagem da infiltração I(t) para os dados de posição da frente úmida versus tempo, na parte central do canal, foi feita utilizando a equação unidimensional de Philip (1969), dada por:
(3)

Onde: S é a sorptividade, dada por:


(4)
Sendo: K, a condutividade hidráulica ou coeficiente de permeabilidade; hp, a pressão hidrostática; hf, a sucção na passagem da frente úmida; θS, a umidade volumétrica saturada, θi, a umidade volumétrica inicial, e L(t), a posição da frente úmida no canal.

A aplicação desse modelo permitiu o cálculo do parâmetro , com base nos resultados experimentais das outras variáveis do modelo. Para o parâmetro hp, medida da pressão hidrostática no topo da coluna tomou-se os valores hp=hp(t), admitindo-se a transmissão integral da pressão hidrostática do líquido do reservatório para a superfície do solo. Para a sucção na frente úmida, hf, tomou-se o valor da sucção na passagem da frente, lido em cada um dos oito tensiômetros da posição central. Os tempos utilizados foram os correspondentes às leituras da sucção por cada tensiômetro, no momento da passagem da frente. As profundidades da frente úmida foram tomadas como os valores geométricos das posições dos tensiômetros na direção vertical. Os valores para o termo (θSi) foram tomados como os valores da porosidade em cada coluna de areia.





  1. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 12 mostra a posição sequencial da frente úmida para o primeiro experimento de infiltração bidimensional de água em areia.

De acordo com a Figura 12, ocorreu um movimento preferencialmente vertical sob a base do reservatório do líquido, devido à condição lateral de borda infinita, com pequenas irregularidades mostradas nas frentes úmidas, na forma de espalhamento lateral, devido a zonas ligeiramente estratificadas dentro do solo. Durante o experimento de fluxo e, até atingir o nível d’água na base do canal, foi verificado que apenas 8,82 litros de água foram dispensados do reservatório, embora o mesmo tivesse a capacidade de 15 litros.



Figura 12 – Sequência das frentes úmidas da água na areia para o Experimento#01.
A Figura 13 apresenta os gráficos dos valores da sucção versus tempo, registrados pelos tensiômetro 5A, 6A, 7A e 8A, (1º ao 4º tensiômetro a partir do topo do solo) cujas profundidades são: 0,056; 0,090; 0,136 e 0,218 m respectivamente, conforme mostrado na Figura 14.


Figura 13-Leitura dos tensiômetros 5A, 6A, 7A e 8A durante o fluxo do líquido.



Figura 14. Posição dos tensiômetros no canal de fluxo.
O objetivo foi avaliar o comportamento dos tensiômetros, com relação à habilidade de detectar os valores da sucção operando na frente úmida; bem como o tempo de resposta para a passagem da frente úmida.

Foi verificado que os tensiômetros respondem ao início do umedecimento num tempo de 1 a 3 segundos. Como mostra a Figura 13, a partir do instante em que a frente úmida passa, a leitura do tensiômetro vai à zero (100% saturado) em aproximadamente 50 s para cada tensiômetro, à diferentes profundidades. Após, aproximadamente 100 s da chegada da frente úmida, a sucção volta a aumentar gradualmente, mostrando que se iniciou um processo predominante de drenagem do líquido dos poros. Isto ocorre porque a vazão do reservatório diminui com o passar do tempo, e a velocidade de fluxo se torna menor do que a permeabilidade saturada do solo.

A conexão hidráulica entre a água no reservatório e a água no solo, através da placa porosa, foi verificada através da forma do bulbo úmido (Figura 12) e pela ausência de líquido sobrenadante no topo do solo. Este fato foi também confirmado através do gráfico do avanço vertical da frente úmida, medida na posição central do bulbo, em comparação com a modelagem matemática da infiltração unidimensional de Philip (1969), em quatro condições. A primeira, supondo-se não haver conexão hidráulica e admitindo-se pressão hidrostática nula na superfície do solo (hp=0) e, utilizando-se, por outro lado, o valor médio dos valores de sucção medidos pelos tensiômetros na passagem da frente úmida (hf). A segunda, admitindo-se transmissão integral da pressão hidrostática do líquido do reservatório para a superfície do solo (hp=hp(t)) e, ainda, o valor médio de hf. A terceira admitindo-se transmissão integral da pressão hidrostática, mas, utilizando-se os valores de sucção medidos em cada tensiômetro, hf local. A quarta, admitindo-se transmissão integral da pressão hidrostática e utilizando-se o método de modelagem matemática de Bouwer (1966, 1969) para o valor de hf, assumido como a metade do valor da pressão de borbulhamento (Pb), obtido na curva de retenção. Os cinco gráficos estão mostrados na Figura 15.



Figura 15 - Posições da frente úmida em função do tempo no Experimento #01.
A Figura 15 mostra que a parte final do gráfico experimental apresenta mudança de inclinação, devido a alterações no fluxo e no formato do bulbo úmido, como pode ser identificado na Figura 12 (posição do penúltimo tensiômetro, 11A). Após o experimento e remoção do solo, foi verificado que houve afastamento do bulbo úmido da parede de fundo do canal, provavelmente por problemas na compactação do solo. As simulações utilizando os valores de hp = hp(t) mostraram maior aderência aos pontos experimentais, confirmando a conexão hidráulica. A simulação que utiliza os dois critérios (hp = hp(t) e hf local), se aproximou melhor dos pontos experimentais e mostra um degrau na curva, associado ao comportamento acima descrito.

A Tabela 2 apresenta a estatística descritiva dos valores de condutividade hidráulica calculada com dados do experimento de fluxo, para cada par de tensiômetros, utilizando-se a equação de Philip (1969), (Equação 3).


Tabela 2. Estatística descritiva dos valores do coeficiente de permeabilidade obtidos nos experimentos.

Parâmetros Estatísticos

Coeficiente de permeabilidade

(K)


Diferença





(cm/s)

(%)




Experimento no canal de fluxo

Média

8,18E-03

31,8

Mediana

8,58E-03

28,5

Desvio padrão

1,42E-03




Menor Valor

6,04E-03

49,6

Maior Valor

9,96E-03

17,0










Permeâmetro de parede rígida

Média

1,20E-02




A Tabela 2 mostra as diferenças percentuais entre o coeficiente de permeabilidade transiente, obtido com experimento no canal de fluxo, e, o coeficiente de permeabilidade estacionário, obtido em permeâmetro de parede rígida. Para o valor máximo e mínimo, a diferença percentual é de 17 e 49,6%, e para os valores da média e mediana a diferença percentual é de 31,8 e 28,5%, respectivamente. Estes resultados mostram a similaridade entre o coeficiente de permeabilidade no regime transiente (canal) e no regime estacionário (permeâmetro).

A Figura 16 mostra os valores de sucção versus saturação, medidos durante o experimento no canal de fluxo (trecho de umedecimento), para nove dos quinze tensiômetros. A Figura 16 também mostra os valores de sucção obtidos no experimento realizado utilizando a câmara de vaporização, conforme descrito em Sousa et al. (2011). Neste caso os experimentos se referem ao ramo da drenagem da curva de retenção.




Figura 16 - Sucção-umidade de água em areia: regime estacionário de drenagem (câmara de vaporização); e regime transiente (no canal, após passagem da frente úmida).
De acordo com a Figura 16, a curva de retenção no ramo de umedecimento (regime transiente) está abaixo da curva de drenagem (regime estacionário), caracterizando de forma clara a histerese da curva de retenção, como esperado.



  1. CONCLUSÃO

O teste preliminar do canal de fluxo instrumentalizado para experimentos bidimensionais, utilizando-se a água como líquido infiltrante, em areia de duna, comprovou os seguintes aspectos: a capacidade dos tensiômetros medirem a sucção atuante na frente líquida, com tempo de resposta de aproximadamente 3 segundos após a chegada da frente; a funcionalidade do reservatório que dispensa o líquido no topo da coluna, e sua conexão hidráulica com o solo; a possibilidade de monitoramento visual, no tempo e no espaço, da frente líquida; e a efetividade na aquisição dos parâmetros de fluxo (condutividade hidráulica e sucção) necessários para a modelagem matemática do fenômeno. Também foi encontrado que os valores de condutividade hidráulica medidos num permeâmetro de parede rígida (regime estacionário) e no canal (regime transiente) se mostraram similares.





  1. REFERENCIAS

Abriola, L. M.; Pinder, G. F. (1985). A multiphase approach to the modeling of porous media contamination by organic compounds: I. Equation development. Water Resource Research, v. 21, n.1, p. 11–18.

Butts, M. B.; Jensen, K. H. (1996). Effective for multiphase flow in layered soils. Journal of Hydrology, v. 183, p. 101-116.

Host-Madsen, J.; Jensen, K. H. (1992). Laboratory and numerical investigation of immiscible multiphase flow in soil. Journal of Hydrology, v. 135, p. 13-52. doi: 10.1016/0022-1694(92)9007

Lenhard, R. J.; Oostrom, M.; Dane, J. H. (2004). A constitutive model for air-NAPL-water flow in the vadose zone accounting for immobile, non occluded (residual) NAPL in strongly water–wet porous media. Journal of Contamination Hydrology, v. 71, p. 261-282

Kaluarachchi, K.; Parker, J. (1989). An efficient finite element method for multiphase flow. Water Resources Research, v. 25, p. 43–54.

Kamon, M.; Endo, K.; Kawabata, J.; Inui, T. and Katsumi, T. (2004). Two dimensional DNAPL migration affected by groundwater flow in unconfined aquifer. Journal of Contamination Hydrology, v. 110, p. 1-12,

Kechavarzi, C.; Soga, K.; Illangasekare T. H. (2005). Two dimensional laboratory simulation of LNAPL infiltration and redistribution in the vadose zone. Journal of Contamination Hydrology, v. 76, p. 211-233,

Kueper, B. H.; Abbott, W.; Farquhar, G. (1989). Experimental observations of multiphase flow in heterogeneous porous media, Journal of Contamination Hydrology, v. 5, p. 83–95.

Mcdowell, C. J.; Powers, S. (2003). Mechanisms affecting the infiltration and distribution of ethanol-blended gasoline in the vadose zone. Environmental Science & Technology, v. 37, n. 9, p. 1803-1810.

Oliveira, I. B. (1995). Infiltration of organic liquids in unsaturated sands: comparison of experimental measurements with scaled and unscaled analytical solutions, 335f. Tese (Ph.D in Environmental Engineering), Universidade de Michigan. Ann Arbor, Michigan, USA.

Philip, J. R. (1969). Theory of Infiltration. Advances in Hydroscience, v. 5, p. 215-1296.

Rathfelder, K. and Abriola, L. M.(1998). The influence of capillarity in numerical modeling of organic liquid redistribution in two phase systems. Advances in Water Resources, n. 2, v.21, p. 159-170.

Schiegg, H. O. (1990). Laboratory setup and results of experiments on two-dimensional multiphase flow in porous media. English translation by J. F. McBride and D. N. Graham (Editors), Pacific Northwest Laboratory, October, 1990, Springfield, VA, prepared for U. S. Dep. Of Energy, Washington, D. C., DE-AC06-76RLO1830, 423p.

Schroth, M. R.; Istok, J.D.; Selker, J. S.; Oostrom, M.; White, M. D. (1998). Multifluid flow in bedded porous media: laboratory experiments and numerical simulations. Advances in Water Resources, v. 22, n.2, p. 169-183.

Silliman, S. E.; Berkowitz, B.; Simunek, J.; van Genuchten, M. T. (2002). Fluid flow and solute migration within the capillary fringe. Ground Water, v. 40, n. 1, p. 76-84.

Sousa, R. P., Oliveira, I. B, e Machado, S. L. (2011) Técnica de vaporização para obter curvas de retenção água-ar e napl-ar. Artigo submetido para apresentação no VII Simpósio Brasileiro de Solos Não Saturados, 29 a 31 de agosto de 2011, Pirenópolis, Goiás.

Van Genuchten, M.T. (1980). A closed form equations for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, v. 44, p. 892-898








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