Autora: Vanessa Almeida de Godoy

Tese Acadêmica: Tese de doutorado

Universidade: Universidade de São Paulo (USP)

Ano: 2018

Tese de doutorado apresentada ao programa de pós-graduação em Geotecnia, da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, Brasil, e ao programa de Engenharia da Água e Meio Ambiente do Instituto de Engenharia da Água e Meio Ambiente da Universitat Politècnica de València, Espanha, como parte dos requisitos para a obtenção da dupla-titulação de Doutora em Ciências.
Orientador: Dr. Lázaro Valentin Zuquette – Universidade de São Paulo
Orientador: Ph.D. José Jaime Gómez-Hernández – Universitat Politècnica de València

Resumo
Modelos numéricos estão se tornando ferramentas fundamentais para prever uma série de problemas complexos enfrentados por engenheiros geotécnicos e geoambientais. No entanto, para que o modelo seja confiável para previsões futuras, seus parâmetros de entrada devem ser determinados com a consideração do efeito da escala. Se há uma diferença de escalas entre a escala da observação e a escala do modelo, existem duas maneiras possíveis de considerá-la: ou constrói-se modelos com elementos de tamanhos semelhantes àqueles em que os dados foram medidos, ou definem-se algumas regras de mudança de escala. Neste contexto, esta tese enfoca a mudança de escala do fluxo de água e do transporte de massa em um solo tropical, por meio de estudos numéricos, laboratoriais e de campo. Esta tese é organizada em quatro partes. Em primeiro lugar, estudou-se em detalhe a heterogeneidade, a correlação e a correlação cruzada entre os parâmetros de transporte de soluto (dispersividade, α, e coeficiente de partição, Kd) e as propriedades do solo. Nesta parte, verificou-se que a condutividade hidráulica (K) e os parâmetros de transporte de soluto são altamente heterogêneos, enquanto as propriedades do solo não o são. A correlação espacial de α, K e das variáveis estatisticamente significativas foi estudada, e, provavelmente, melhoraria a estimativa apenas em um estudo em pequena escala, uma vez que a correlação espacial só foi observada até 2,5 m. Este estudo foi uma primeira tentativa de avaliar a variação espacial no coeficiente de correlação dos parâmetros de transporte de um soluto reativo e não-reativo, indicando as variáveis mais relevantes e as que devem ser incluídas em estudos futuros. Na segunda parte, o efeito de escala em K, na dispersividade e no coeficiente de partição de potássio e cloreto é estudado experimentalmente por meio de ensaios xii laboratoriais e de campo. O objetivo foi contribuir com a discussão sobre os efeitos de escala em K, α e Kd e entender como esses parâmetros se comportam com a mudança na escala da medição. Os resultados mostram que K aumenta com a escala, independentemente do método de medição. A dispersão tende a aumentar de maneira exponencial com a altura da amostra. O coeficiente de partição tende a aumentar tanto com o comprimento, quanto com o diâmetro e o volume da amostra. Essas diferenças nos parâmetros de acordo com a escala de medida devem ser consideradas quando essas observações são posteriormente usadas como entrada para modelos numéricos, caso contrário, as respostas podem ser mal representadas. Em terceiro lugar, uma análise estocástica tridimensional da mudança de escala da condutividade hidráulica foi realizada usando tanto média simples quanto o método Laplaciano-com-pele para varios tamanhos de blocos usando medidas K reais. Nesta parte, foram demonstrados os erros que podem ser introduzidos ao se usar métodos determinísticos de mudança de escala, usando médias simples das medições de K sem se considerar a correlação espacial. A aplicação das técnicas de mudança de escala mostra que a heterogeneidade de K pode ser incorporada na prática diária do modelador geotécnico. Os aspectos a serem considerados ao realizar a mudança de escala também foram discutidos. Finalmente, analisou-se a dependência do expoente da norma p em função do tamanho do bloco. Na última parte, uma aplicação de mudança de escala estocástica do coeficiente de dispersão hidrodinâmica (D) e do fator de retardo (R) foi realizada usando dados reais visando reduzir a falta pesquisas no tema de mudança de escala do transporte de soluto reativo. A mudança de escala do D foi feito usando o método de macrodispersão. O método da média simples baseado na norma p foi usado para executar a mudança de escala de R. A incerteza foi propagada satisfatoriamente. Métodos simples de mudança de escala podem ser incorporados à prática de modelagem usando programas comerciais, e reproduzir corretamente o transporte em escala grossa, mas podem exigir correções para reduzir o efeito suavizado da heterogeneidade causada pelo procedimento de mudança de escala.