Marcia Salamoni Batalha
Título
Effects of Temporal Averaging of Weather Data on Calculations of Near-Surface Water Flow and Recharge Processes
Resumo
Estimativas das taxas de escoamento de água para a zona vadosa e através dela, bem como processos de recarga de águas subterrâneas, são críticos para muitas aplicações hidrológicas, agrícolas e ambientais. Esta tese emprega um modelo para cálculo de escoamento na zona vadosa (HYDRUS-1D) para simular os efeitos das diferentes resoluções temporais de dados meteorológicos (isto é, médias horárias, diárias, semanais, mensais e anuais, das taxas de precipitação e evaporação potencial) nas previsões das recargas subterrâneas em três localidades no Brasil com diferentes condições climáticas: no Cerrado (savana tropical), na área subtropical úmida do sul do Brasil, e em uma área bastante úmida, a Amazônia. Conclui-se que os diferentes períodos usados para cálculo da média temporal dos dados meteorológicos pode levar a diferentes previsões para recarga. As conclusões da análise da média temporal são usadas em seguida em um estudo de caso que foca na eficiência de diferentes coberturas propostas para fechamento de depósito de rejeitos de mineração de carvão em uma instalação experimental próxima à Criciúma, no sul do Brasil. A eficiência das coberturas é analisada através de modelagem numérica dos processos de escoamento para e através de várias “células” da instalação experimental que contêm diferentes coberturas, e pela comparação dos resultados com os dados disponíveis medidos em campo para runoff, conteúdo de água dos materiais componentes e da drenagem. Os resultados gerais da pesquisa indicam que análises de longo prazo ou escoamento próximo à superfície, evaporação e drenagem ou recarga devem ser realizados sempre que possível usando condições de contorno em regime transiente e em resolução relativamente precisa dos dados meteorológicos, especialmente para eventos de precipitação de curta duração e alta intensidade.
Abstract
Accurate estimates of water flow rates into and through the vadose zone, and related groundwater recharge processes, are critical for many hydrologic, agricultural and environmental applications. This thesis employs a vadose zone flow model (HYDRUS-1D) to simulate the effects of using weather-related data of different resolutions (i.e., hourly, daily, weekly, monthly and yearly averaged precipitation and potential evaporation rates) on predictions of groundwater recharge at three sites in Brazil having different climatological conditions: a tropical savanna, a humid subtropical area, and a very wet tropical area. Different temporal averaging periods of weather data were found to lead to very different predictions of recharge, with the yearly averaged data always producing by far the lowest recharge rates. Conclusions from the temporal averaging analysis were used next in a case study focusing on the efficiency of different covers used at an experimental coal mining waste disposal facility near Criciuma city, in southern Brazil. The efficiency of the covers was assessed through numerical modeling of flow processes into and through several “cells” of the facility having different covers, and comparing results with available data on runoff, in situ moisture dynamics and deep drainage. Overall results of research carried out as part of this thesis indicate that long-term analyses of near-surface flow, evaporation, and deep drainage or recharge should be performed as much as possible using transient boundary conditions having a relatively precise temporal resolution of meteorological data, especially for short-term high-intensity precipitation events.
