Some like it wet - biological characteristics underpinning tolerance of extreme water stress events in Antarctic bryophytes

Antarctic bryophyte communities presently tolerate physiological extremes in water availability, surviving both desiccation and submergence events. We investigated the relative ability of three Antarctic moss species to tolerate physiological extremes in water availability and identified physiological, morphological, and biochemical characteristics that assist species performance under such conditions. Tolerance of desiccation and submergence was investigated using chlorophyll fluorescence during a series of field- and laboratory-based water stress events. Turf water retention and degree of natural habitat submergence were determined from gametophyte shoot size and density, and delta C-13 signatures, respectively. Finally, compounds likely to assist membrane structure and function during desiccation events (fatty acids and soluble carbohydrates) were determined. The results of this study show significant differences in the performance of the three study species under contrasting water stress events. The results indicate that the three study species occupy distinctly different ecological niches with respect to water relations, and provide a physiological explanation for present species distributions. The poor tolerance of submergence seen in Ceratodon purpureus helps explain its restriction to drier sites and conversely, the low tolerance of desiccation and high tolerance of submergence displayed by the endemic Grimmia antarctici is consistent with its restriction to wet habitats. Finally the flexible response observed for Bryum pseudotriquetrum is consistent with its co-occurrence with the other two species across the bryophyte habitat spectrum. The likely effects of future climate change induced shifts in water availability are discussed with respect to future community dynamics.

Water balance in goats subjected to feed restriction

The effect of feed restriction on water balance and nutrient utilization was investigated in individually penned Boer x Saanen kids. Twenty-two male Boer x Saanen kids with an initial average live weight (LW) of 15 kg were used. Seven kids were slaughtered at the beginning of the experiment (reference animals) and the remainders were allocated to one of the three treatments (0, 30 and 60% restriction) and therefore there were five kids per treatment. The feed intake for the 0% restriction treatment animals determined the intake for the animals in the 30 and 60% restriction treatment. When the animals in the 0% restriction treatment group reached 25 kg LW, the animals in the 30 and 60% restriction treatment groups were also slaughtered. There was a negative relationship between DMI and water intake. The digestibility coefficients for DM, OM, carbohydrates, ash, ether extract, energy, NDF, ADF and lignin did not differ between treatments, whereas the digestibility coefficient for CP was different between treatment groups. The highest metabolic water production was in animals in the 0% restriction treatment group. No significant differences were observed in the composition of gastro-intestinal tract contents of the goats in the different treatments. Lower water retention was found in the animals in the 60% restriction treatment group. The study showed that feed restriction affected water intake, CP digestibility and water retention in the body of the kid goats. This experiment demonstrated that DM:water intake ratio changed when severe feed restriction was applied (60% restriction) and water was freely available. It shows a different pattern of behaviour of penned goats, particularly if feed intake is restricted and perhaps caution is needed to extrapolate results from nutritional and physiological trials in pens to goats at pasture. (c) 2005 Elsevier BX All rights reserved.

A geometric study of liquid retention in open-cell metal foams

Open-cell metal foams show promise as an emerging novel material for heat exchanger applications. The high surface-area-to-volume ratio suggests increased compactness and decrease in weight of heat exchanger designs. However, the metal foam structure appears conducive to condensate retention, which would degenerate heat transfer performance. This research investigates the condensate retention behavior of aluminum open-cell metal foams through the use of static dip tests and geometrical classification via X-ray Micro-Computed Tomography. Aluminum open-cell metal foam samples of 5, 10, 20, and 40 pores per inch (PPI), all having a void fraction greater than 90%, were included in this investigation. In order to model the condensate retention behavior of metal foams, a clearer understanding of the geometry was required. After exploring the ideal geometries presented in the open literature, X-ray Micro-Computed Tomography was employed to classify the actual geometry of the metal foam samples. The images obtained were analyzed using specialized software from which geometric information including strut length and pore shapes were extracted. The results discerned a high variability in ligament length, as well as features supporting the ideal geometry known as the Weaire-Phelan unit cell. The static dip tests consisted of submerging the metal foam samples in a liquid, then allowing gravity-induced drainage until steady-state was reached and the liquid remaining in the metal foam sample was measured. Three different liquids, water, ethylene glycol, and 91% isopropyl alcohol, were employed. The behaviors of untreated samples were compared to samples subjected to a Beomite surface treatment process, and no significant differences in retention behavior were discovered. The dip test results revealed two distinct regions of condensate retention, each holding approximately half of the total liquid retained by the sample. As expected, condensate retention increased as the pores sizes decreased. A model based on surface tension was developed to predict the condensate retention in the metal foam samples and verified using a regular mesh. Applying the model to both the ideal and actual metal foam geometries showed good agreement with the dip test results in this study.

A comparison between highly depithed and conventionally depithed bagasse pulp

Sugarcane bagasse pulp normally has high dewatering resistance and poor strength properties. In a previous study it was shown that highly depithed bagasse chemical pulp has excellent dewatering properties which may improve the production rate of bagasse based tissue, paper and board. In this study pulp properties of this highly depithed bagasse pulp were tested and compared favourably with regular depithed bagasse pulp. In addition to better dewatering rates, the pulp yield, tear strength and water retention value seemingly improved. Whilst a slight reduction in burst, tensile and short-span compression strengths occurred, they were still comparable to values reported for a regular bagasse pulp.

Vertical vegetation design decisions and their impact on energy consumption in subtropical cities

Vertical vegetation is vegetation growing on, or adjacent to, the unused sunlit exterior surfaces of buildings in cities. Vertical vegetation can improve the energy efficiency of the building on which it is installed mainly by insulating, shading and transpiring moisture from foliage and substrate. Several design parameters may affect the extent of the vertical vegetation's improvement of energy performance. Examples are choice of vegetation, growing medium geometry, north/south aspect and others. The purpose of this study is to quantitatively map out the contribution of several parameters to energy savings in a subtropical setting. The method is thermal simulation based on EnergyPlus configured to reflect the special characteristics of vertical vegetation. Thermal simulation results show that yearly cooling energy savings can reach 25% with realistic design choices in subtropical environments. Heating energy savings are negligible. The most important parameter is the aspect of walls covered by vegetation. Vertical vegetation covering walls facing north (south for the northern hemisphere) will result in the highest energy savings. In making plant selections, the most significant parameter is Leaf Area Index (LAI). Plants with larger LAI, preferably LAI>4, contribute to greater savings whereas vertical vegetation with LAI<2 can actually consume energy. The choice of growing media and its thickness influence both heating and cooling energy consumption. Change of growing medium thickness from 6cm to 8cm causes dramatic increase in energy savings from 2% to 18%. For cooling, it is best to use a growing material with high water retention, due to the importance of evapotranspiration for cooling. Similarly, for increased savings in cooling energy, sufficient irrigation is required. Insufficient irrigation results in the vertical vegetation requiring more energy to cool the building. To conclude, the choice of design parameters for vertical vegetation is crucial in making sure that it contributes to energy savings rather than energy consumption. Optimal design decisions can create a dramatic sustainability enhancement for the built environment in subtropical climates.

Laboratory measurement of hydraulic conductivity functions of two unsaturated sandy soils during drying and wetting processes

The importance of applying unsaturated soil mechanics to geotechnical engineering design has been well understood. However, the consumption of time and the necessity for a specific laboratory testing apparatus when measuring unsaturated soil properties have limited the application of unsaturated soil mechanics theories in practice. Although methods for predicting unsaturated soil properties have been developed, the verification of these methods for a wide range of soil types is required in order to increase the confidence of practicing engineers in using these methods. In this study, a new permeameter was developed to measure the hydraulic conductivity of unsaturated soils using the steady-state method and directly measured suction (negative pore-water pressure) values. The apparatus is instrumented with two tensiometers for the direct measurement of suction during the tests. The apparatus can be used to obtain the hydraulic conductivity function of sandy soil over a low suction range (0-10 kPa). Firstly, the repeatability of the unsaturated hydraulic conductivity measurement, using the new permeameter, was verified by conducting tests on two identical sandy soil specimens and obtaining similar results. The hydraulic conductivity functions of the two sandy soils were then measured during the drying and wetting processes of the soils. A significant hysteresis was observed when the hydraulic conductivity was plotted against the suction. However, the hysteresis effects were not apparent when the conductivity was plotted against the volumetric water content. Furthermore, the measured unsaturated hydraulic conductivity functions were compared with predictions using three different predictive methods that are widely incorporated into numerical software. The results suggest that these predictive methods are capable of capturing the measured behavior with reasonable agreement.

Pseudo-Static and Pseudo-Dynamic Stability Analysis of Tailings Dam Under Seismic Conditions

In this paper the seismic slope stability analyses are performed for a typical section of 44 m high water retention type tailings earthen dam located in the eastern part of India, using both the conventional pseudo-static and recent pseudo-dynamic methods. The tailings earthen dam is analyzed for different upstream conditions of reservoir like filled up with compacted and non-compacted dumped waste materials with different water levels of the pond tailings portion. Phreatic surface is generated using seepage analysis in geotechnical software SEEP/W and that same is used in the pseudo-static and pseudo-dynamic analyses to make the approach more realistic. The minimum values of factor of safety using pseudo-static and pseudo-dynamic method are obtained as 1.18 and 1.09 respectively for the chosen seismic zone in India. These values of factor of safety show clearly the demerits of conventional pseudo-static analysis compared to recent pseudo-dynamic analysis, where in addition to the seismic accelerations, duration, frequency of earthquake, body waves traveling during earthquake and amplification effects are considered.

Hydro-mechanical characterization of Barmer 1 bentonite from Rajasthan, India

The conceptual model for deep geological disposal of high level nuclear waste (HLW) is based on multiple barrier system consisting of natural and engineered barriers. Buffer/backfill material is regarded as the most important engineered barrier in HLW repositories. Due to large swelling ability, cation adsorption capacity, and low permeability bentonite is considered as suitable buffer material in HLW repositories. Japan has identified Kunigel VI bentonite, South Korea - Kyungju bentonite, China - GMZ bentonite, Belgium - FoCa clay, Sweden - MX-80 bentonite, Spain - FEBEX bentonite and Canada - Avonseal bentonite as candidate bentonite buffer for deep geological repository program. An earlier study on Indian bentonites by one of the authors suggested that bentonite from Barmer district of Rajasthan (termed Barmer 1 bentonite), India is suited for use as buffer material in deep geological repositories. However, the hydro-mechanical properties of the Barmer 1 bentonite are unavailable. This paper characterizes Barmer 1 bentonite for hydro-mechanical properties, such as, swell pressure, saturated permeability, soil water characteristic curve (SWCC) and unconfined compression strength at different dry densities. The properties of Barmer 1 bentonite were compared with bentonite buffers reported in literature and equations for designing swell pressure and saturated permeability coefficient of bentonite buffers were arrived at. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Avaliação de proposições matemáticas para interpretação do comportamento de solos residuais não saturados

Nas últimas décadas, teorias têm sido formuladas para interpretar o comportamento de solos não saturados e estas têm se mostrado coerentes com resultados experimentais. Paralelamente, várias técnicas de campo e de laboratório têm sido desenvolvidas. No entanto, a determinação experimental dos parâmetros dos solos não saturados é cara, morosa, exige equipamentos especiais e técnicos experientes. Como resultado, essas teorias têm aplicação limitada a pesquisas acadêmicas e são pouco utilizados na prática da engenharia. Para superar este problema, vários pesquisadores propuseram equações para representar matematicamente o comportamento de solos não saturados. Estas proposições são baseadas em índices físicos, caracterização do solo, em ensaios convencionais ou simplesmente em ajustes de curvas. A relação entre a umidade e a sucção matricial, convencionalmente denominada curva característica de sucção do solo (SWCC) é também uma ferramenta útil na previsão do comportamento de engenharia de solos não saturados. Existem muitas equações para representar matematicamente a SWCC. Algumas são baseadas no pressuposto de que sua forma está diretamente relacionada com a distribuição dos poros e, portanto, com a granulometria. Nestas proposições, os parâmetros são calibrados pelo ajuste da curva de dados experimentais. Outros métodos supõem que a curva pode ser estimada diretamente a partir de propriedades físicas dos solos. Estas propostas são simples e conveniente para a utilização prática, mas são substancialmente incorretas, uma vez que ignoram a influência do teor de umidade, nível de tensões, estrutura do solo e mineralogia. Como resultado, a maioria tem sucesso limitado, dependendo do tipo de solo. Algumas tentativas têm sido feitas para prever a variação da resistência ao cisalhamento com relação a sucção matricial. Estes procedimentos usam, como uma ferramenta, direta ou indiretamente, a SWCC em conjunto com os parâmetros efetivos de resistência c e . Este trabalho discute a aplicabilidade de três equações para previsão da SWCC (Gardner, 1958; van Genuchten, 1980; Fredlund; Xing, 1994) para vinte e quatro amostras de solos residuais brasileiros. A adequação do uso da curva característica normalizada, proposta por Camapum de Carvalho e Leroueil (2004), também foi investigada. Os parâmetros dos modelos foram determinados por ajuste de curva, utilizando técnicas de problema inverso; dois métodos foram usados: algoritmo genético (AG) e Levenberq-Marquardt. Vários parâmetros que influênciam o comportamento da SWCC são discutidos. A relação entre a sucção matricial e resistência ao cisalhamento foi avaliada através de ajuste de curva utilizando as equações propostas por Öberg (1995); Sällfors (1997), Vanapalli et al., (1996), Vilar (2007); Futai (2002); oito resultados experimentais foram analisados. Os vários parâmetros que influênciam a forma da SWCC e a parcela não saturadas da resistência ao cisalhamento são discutidos.

Biological environments of larger UK rivers: progress report 1987

This interim progress report for the 9 months from January 1987 to September 1987 aims to provide insights into the mechanisms by which populations of particles (in this instance, phytoplankton) behave in relation to fluvial flow and, thus, to better model the dispersive properties of rivers and the ecological principles governing the distribution of potamoplankton generally. The author has been able to show with dye-tracers that significant water retention in pool reaches occurs within the range of (low) discharges obtaining, in accord with the Aggregated Dead Zone model and to an extent comparable with streams and small rivers investigated previously.

Comportamento germinativo de espécies rupícolas de inselbergs do Morro da Urca, Rio de Janeiro - RJ

Inselbergs são afloramentos rochosos isolados que emergem abruptamente acima das planícies que os circundam, formados principalmente por afloramentos de rochas graníticas e gnáissicas. São lugares com alta diversidade e endemismo, e caracterizados por alto grau de insolação, temperaturas do ar e do solo, com ventos fortes e solos com baixa retenção de água. Sementes de três espécies típicas dos inselbergs (Alcantarea glaziouana, Barbacenia purpurea e Tibouchina corymbosa) foram estudadas para avaliar o efeito das temperaturas constantes (15 a 40C) e alternada (20-30C), o estresse hídrico (Ψw = 0,0 a -1,2 MPa) promovido por soluções de polietileno glicol 6000 (PEG) e a qualidade da luz sob diferente valores de razão vermelho: vermelho extremo (V:VE), na porcentagem final e velocidade de germinação. Os resultados mostraram que todas as espécies têm sementes muito leves, variando entre 0,005 - 0,04 g. As três espécies apresentaram alta germinação sob temperaturas entre 20C e 30C, e não germinaram a 40C, exceto A. glaziouana. A máxima germinação foi obtida em água destilada (0 MPa) e as diferentes condições de estresse hídrico reduziram a percentagem e a velocidade de germinação de todas as espécies estudadas. A. glaziouana foi a espécie menos sensível a redução do potencial hídrico. As sementes de todas as espécies necessitam de exposição a luz para a máxima germinação (fotoblásticas positivas) e a porcentagem final de germinação foi inibida sob baixos valores de V:VE. A razão V:VE que resultou em 50% da máxima germinação variou entre as espécies. Estes resultados demonstram que a germinação pode limitar a capacidade das espécies em colonizar tanto novas áreas como área perturbadas, além de contribuir para a distribuição das espécies nos inselbergs.

Substratos para uso em telhados verdes: Avaliação da retenção hídrica e qualidade da água de escoamento.

Telhados verdes são uma alternativa interessante para mitigar o risco de enchentes dada a enorme área de telhados não utilizada das superfícies impermeáveis nas áreas urbanas. Graças a sua capacidade de armazenagem de água, os telhados verdes podem reduzir significativamente o pico de escoamento dos eventos de maior pluviosidade. Investigações sobre a composição de substratos baseados em materiais locais e projetos adequados para regiões climáticas tropicais são menos frequentes. Vegetação e substrato são elementos de um telhado verde que precisam ser adaptados para cada microclima e não universalizados. O objetivo deste estudo foi avaliar o desempenho de diferentes composições de substratos baseados em solo local, biomassa de coco, condicionador de solo e componentes comerciais, com a finalidade de maximizar a capacidade de retenção da água de chuva e diminuir necessidades de manutenção. Um pré-ensaio de colunas avaliou a capacidade de retenção hídrica e a relação peso seco x peso úmido de 15 composições de substrato. As composições com melhores resultados constituíram os substratos S1(15% solo + 55% coco + 30%componentes comerciais), S2 (30% solo + 40% coco + 30%componentes comerciais) e S3 (60% solo + 10% coco + 30%componentes comerciais). A caracterização físico-química dos substratos, solo e fibra de coco foi realizada. Em seguida um teste de colunas avaliou a capacidade de retenção hídrica dos substratos sob duas condições de precipitação: uma leve (8,77 mm/h); e outra mais forte (42,0 mm/h). Os resultados apontaram que os substratos S2 e S3 apresentaram melhores resultados de retenção para ambas as intensidades de precipitação. Observou-se que S1, que apresentou melhor capacidade de retenção no pré-ensaio, teve desempenho inferior aos demais o que pode ser atribuído à maior concentração de fibra de coco na sua composição e o consequente surgimento de caminhos preferenciais ao longo do perfil da coluna, por onde a água escoou mais rapidamente. Em eventos de precipitação mais leve, os substratos reteram de 60 a 100% do total aplicado. Quando se aplicou uma intensidade de precipitação mais forte, a faixa de retenção ficou entre 40% e 59%. No entanto, as variáveis analisadas para avaliar a qualidade da água de escoamento dos substratos (pH, CE, P, NO3, NH4, Ca, Mg, Cu, Fe, Mn, Zn, Cr, Co, Ni) ficaram acima dos valores comumente encontrados na literatura, indicando que as composições aqui adotadas para os substratos podem implicar em uma fonte de poluição hídrica. Os substratos para uso em telhados verdes apresentados neste estudo atenderam seu objetivo quanto à retenção hídrica, mas a qualidade da água percolada torna seu uso inviável até o momento. Verificou-se a necessidade de estudar mais profundamente a qualidade da água lixiviada por cada componente dos substratos, individualmente, a fim de identificar as fontes dos elementos que presentes em concentrações elevadas tornam-se poluentes. Pode ser considerada a remoção de algum (s) dos componentes presentes na composição para se atingir um nível satisfatório de qualidade da água de escoamento.

Telhados verdes para habitações de interesse social: retenção das águas pluviais e conforto térmico.

O crescimento populacional aliado à migração tem aumentado a pressão sobre o uso do solo urbano perpetuando sucessivos problemas de assentamentos informais e saneamento ambiental nos grandes centros. Esta situação se agrava ainda mais em épocas de chuvas intensas devido à ocorrência de enchentes. Este projeto faz parte de um conjunto de ações integradas de cidadania e inclusão social na região hidrográfica da baixada de Jacarepaguá, especificamente envolvendo a Comunidade da Vila Cascatinha, em Vargem Grande, a fim de gerar subsídios para políticas públicas em áreas de assentamentos informais, integrado ao projeto HIDROCIDADES (CNPq/CTHIDRO/CTAGRO), que visa a conservação da água em meios urbanos e periurbanos associado à cidadania, inclusão social e melhoria da qualidade de vida nas grandes cidades. Este projeto utilizou uma tecnologia adaptada dos telhados verdes para edificação popular (telhado de fibrocimento), com o objetivo de verificar aspectos construtivos, possíveis espécies com potencial de geração de renda, custos, efeitos no retardo do escoamento superficial das águas pluviais e outros benefícios associados a questões climáticas locais e de conforto do ambiente interno. Os resultados gerados demonstraram, entre outros, o estabelecimento de metodologia para implantação dos telhados verdes em habitações populares, o valor dos custos e resultados preliminares de espécies com potencial para geração de renda. Ainda, a implantação dos telhados verdes demonstrou ser promissora no controle do escoamento superficial, na aplicação do sistema de irrigação. Na simulação das chuvas, observou-se uma retenção de até 56% do volume precipitado. Observou-se o retardo da ocorrência do pico de até 8 minutos no telhado vegetado em relação ao telhado testemunho (convencional telhas fibrocimento). Foi observada a eficiência tanto no comportamento térmico interno como também no externo, uma redução da amplitude térmica interna em dia característico de verão (35,9 C), sendo capaz de r eduzir a temperatura interna em cerca de 2,0 C nos períodos mais quentes do dia e cerca de 4,0 C no ambiente externo em comparação com o telhado-testemunha (sem plantio), com potencial de modificação do microclima local.

Avaliação de condicionadores em solo para uso em telhados verdes com vistas à retenção hídrica.

As inundações são fenômenos naturais que ocorrem devido às chuvas de grande magnitude, agravadas nas áreas urbanas pela impermeabilização do solo e ineficiência dos sistemas de drenagem. Os telhados verdes surgem como uma medida compensatória estrutural que pode reter parte da água precipitada, adiando o pico de escoamento. O objetivo deste trabalho foi de desenvolver uma combinação de solo e condicionadores para telhado verde, promovam um aumento relevante na capacidade de retenção hídrica e um maior adiamento do pico de escoamento das águas pluviais. Este estudo foi dividido em duas etapas. Na Etapa 1, foram analisadas, em colunas de percolação, três condicionadores nas seguintes concentrações: Gel retentor Stockosorb (2; 4; 6 g/dm3), Fertilizante de liberação lenta Osmocote (4,7; 7,1; 9,0 g/dm3) e Zeólita (30; 50; 70 g/dm3), em três eventos (regas) consecutivos de chuva simulada na intensidade de 57 mm/h. A avaliação das concentrações mais adequadas dentre as testadas para cada condicionante foi baseada nas análises referentes à retenção hídrica (altura do meio após a rega; tempo de adiamento do escoamento; mm retidos; intensidade da água percolada em mm/min) e à qualidade da água percolada (pH, oxigênio dissolvido, turbidez e sólidos). Na Etapa 2, foi avaliada, em vasos, a influência da presença de três espécies de plantas (Arachis pintoi; Raphanus sativus; Lavandula angustifolia) em dois tipos de meio: solo sem condicionadores; solo com condicionadores nas melhores concentrações indicadas na Etapa 1, sendo simulada apenas um evento de chuva de 57 mm/h. Foram analisados parâmetros biológicos (germinação; plantas sobreviventes; comprimento do caule e da raiz; pesos da biomassa do caule e da raiz); retenção hídrica (altura do meio após a rega; tempo de adiamento do escoamento; mm retidos; intensidade da água percolada em mm/min); qualidade da água percolada (pH; oxigênio dissolvido; turbidez; sólidos; nitrato; amônia; fósforo total). Os resultados da Etapa 1 indicaram que o gel promoveu de forma significativa um aumento na retenção hídrica, e adiou o início da percolação de água, além de promover ligeira elevação do pH na água percolada. A adição de zeólita resultou em um aumento significativo da retenção hídrica, porém tal aumento não é vantajoso visto que este representa um custo adicional que poderia ser reduzido com o aumento da proporção do gel na coluna. A adição de fertilizantes não promoveu mudanças na qualidade da água percolada. Na Etapa 2, somente o efeito da presença de A. pintoi (maior produção de biomassa de raiz e caule) e R. sativus foram avaliadas. A presença dos condicionantes no solo proporcionou um desempenho significativamente superior em relação a retenção hídrica (altura do substrato e adiamento do pico de chuva) e qualidade da água percolada (pH e turbidez) quando comparados aos testes realizados na presença somente de solo. O fertilizante influenciou nas altas concentrações dos nutrientes (nitrogênio e fósforo) na água percolado nos resultados. A presença do gel no substrato, resultou numa capacidade superior de retenção de hídrica, e consequentemente no adiamento do pico de intensidade de chuva. Sendo assim, recomenda-se a aplicação do gel em telhados verdes para futuros estudos em ambientes externos.