Ajuste de parâmetros de transporte de solutos no solo utilizando Matlab 6.5

O sucesso na utilização de modelos matemáticos no estudo do transporte de íons no solo está intimamente ligado à precisão com que os parâmetros de transporte envolvidos neste processo são estabelecidos. De maneira geral, tais parâmetros são determinados mediante a resolução de um problema de otimização não linear em que os dados experimentais, obtidos em ensaios de deslocamento miscível, são ajustados a um modelo teórico. Neste sentido, a utilização de softwares de alta performance no ajuste destes parâmetros mostra-se vantajosa, uma vez que, além da consistência e da disponibilidade de ferramentas numéricas preexistentes, possibilita a incorporação de novas rotinas de acordo com o fenômeno que se queira simular. Sendo assim, este trabalho teve como objetivo desenvolver, em ambiente MATLAB 6.5, uma rotina computacional para a otimização dos seguintes parâmetros de transporte: fator de retardamento (R) e coeficiente de dispersão (D). A rotina desenvolvida foi aplicada a dados experimentais de três ensaios de deslocamento miscível do íon potássio em colunas preenchidas com um Latossolo Vermelho- -Amarelo, fase arenosa. A qualidade dos ajustes obtidos foi avaliada utilizando-se do coeficiente de exatidão. Concluiu-se que a rotina proposta apresentou ótimo desempenho, o que, além de reforçar a consistência do método numérico utilizado, indica que a rotina proposta neste trabalho pode contribuir com o avanço dos estudos teóricos da dinâmica da água e de solutos em meios porosos não saturados.

Parametrização do transporte dispersivo de solutos em solos estruturados: heterogeneidade do meio, percurso de transporte e modelagem

O transporte dispersivo de solutos no solo é parametrizado por meio de equações difusivas e de modelos que partem da existência de uma relação de causalidade entre as características físicas do meio poroso, da sua condição de umidade e da manifestação macroscópica do processo nele ocorrente. A validade dessa proposição, como critério na elaboração de modelos dos processos que governam o transporte de solutos no solo, é discutida heuristicamente. Com base em índices obtidos a partir de uma análise de momentos de curvas de avanço (BTCs), é possível avaliar objetivamente o vínculo que as características do sistema estabelecem com o atendimento do pressuposto do equilíbrio local e, assim, com o sucesso ou não da adoção de uma abordagem de modelagem. Assim, BTCs assimétricas nada mais são do que a manifestação macroscópica de um processo incompleto, e o alcance de uma distribuição simétrica da concentração de solutos só pode ser garantido com a adoção de um "comprimento mínimo de mistura".

Transporte de fósforo e de potássio em colunas com agregados de um latossolo vermelho distrófico

O objetivo do trabalho foi comparar os coeficientes dispersivo-difusivos de fósforo e de potássio e descrever o transporte desses nutrientes em diferentes classes de agregados de um Latossolo Vermelho distrófico, cultivado com milho por vários anos, usando dois modelos teóricos. O experimento foi realizado, em laboratório, com colunas de percolação, utilizando cinco classes de agregados (2,0-1,0, 1,0-0,5, 0,5-0,25, 0,25-0,105 e < 0,105 mm). A eluição foi realizada em um cilindro de vidro de 2 cm de diâmetro interno e 30 cm de comprimento, preenchido com agregados até 10 cm da borda superior. A coluna foi saturada, sob vácuo, com uma solução de CaCl2 0,005 mol L-1. A velocidade de percolação do efluente foi controlada e mantida próxima daquela obtida para a menor classe de agregados. Aplicou-se, a seguir, a solução saturante até percolação constante, seguida de um pulso de uma solução de KH2PO4 que continha 1.550 e 1.950 mg L-1 de fósforo e de potássio, respectivamente (Co). No efluente coletado, determinou-se a concentração de fósforo e de potássio (C), que permitiu obter a relação C/Co, de acordo com o número de volume de poros da solução percolada. Isso permitiu obter a curva de eluição experimental para esses elementos, a qual foi comparada com curvas teóricas estimadas por dois modelos, um dos quais considera o transporte dispersivo e o outro, o dispersivo-difusivo. O coeficiente dispersivo-difusivo para o potássio foi maior do que para o fósforo nas classes de agregados de diâmetro maior que 0,5 mm. Nas de menor diâmetro, ocorreu o contrário, indicando que o fósforo foi transportado mais rapidamente que o potássio nessas colunas de agregados. O modelo que considera apenas o fluxo dispersivo apresentou melhor predição de transporte do fósforo e do potássio, em todas as classes de agregados. As curvas teóricas descreveram melhor o transporte de potássio do que o de fósforo.

Migração de solutos em basalto fraturado: quantificação experimental em laboratório e validação matemática

A avaliação do risco a contaminação e a escolha de técnicas de remediação de poluentes em aquíferos fraturados depende da quantificação dos fenômenos envolvidos no transporte de solutos. A geometria da fratura, usualmente caracterizada pela abertura, é o principal parâmetro que indiretamente controla o transporte nos aquíferos fraturados. A simplificação mais comum desse problema é assumir que as fraturas são um par de placas planas e paralelas, isto é, com uma abertura constante. No entanto, por causa do limitado número de trabalhos experimentais, não está esclarecida a adequabilidade do uso de uma abertura constante para simular o transporte conservativo em fraturas do Aquífero Serra Geral (ASG), Brasil. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência da abertura de uma fratura natural do Aquífero Serra Geral sob o transporte conservativo de solutos. Uma amostra natural de basalto fraturado foi usada em um experimento hidráulico e de transporte de um traçador conservativo (escala de laboratório). O campo de abertura foi medido usando a técnica avançada, de alta resolução e tridimensional, chamada microtomografia computadorizada de raios-X. A concentração de traçador medida foi utilizada para validar uma solução analítica unidimensional da Equação de Advecção-dispersão (ADE). O desemprenho do ajuste da ADE às curvas de passagem experimentais foi avaliado para quatro diferentes tipos de aberturas constantes. Os resultados mostraram que o escoamento de água e o transporte de contaminantes pode ocorrer através de fraturas micrométricas, ocasionando, eventualmente, a contaminação do ASG. A abertura de balanço de massa é a única que pode ser chamada propriamente de \"abertura equivalente\". O uso de aberturas constantes na ADE não permitiu representar completamente o formato das curvas de passagem porque o campo de velocidade não é uniforme e intrinsicamente bidimensional. Portanto, na simulação do transporte deve-se incorporar a heterogeneidade da abertura da fratura.

Cinética de absorção e eficiência nutricional de K+, Ca2+ e Mg2+ em plantas jovens de quatro clones de eucalipto

Modelos mecanísticos baseados em princípios de transporte de solutos pode ser de grande utilidade para prever os impactos do cultivo de florestas plantadas, por exemplo, com eucalipto sobre o capital e fluxo de nutrientes no solo. Dentre as variáveis de entrada demandadas por tais modelos, tem-se os valores das constantes Vmax, Km e Cmin da cinética de absorção iônica. Assim, os objetivos do presente trabalho foram determinar os valores de Vmax, Km e Cmin para K, Ca e Mg, bem como avaliar as respectivas eficiências nutricionais de clones de eucalipto. O estudo consistiu de três ensaios em solução nutritiva (um para cada cátion), sendo utilizadas mudas propagadas vegetativamente de um híbrido de E. grandis x E. urophylla (clone 1213) e de três híbridos de E. grandis (clones 7074, 57 e 129). Com base nos teores de cada um desses nutrientes nas soluções de depleção, em cada tempo de amostragem, no volume inicial e final de solução nos vasos e no peso de matéria fresca de raízes, foram obtidos os valores das constantes cinéticas. Para K, o clone 7074 apresentou o menor valor de Vmax em relação aos demais clones, os quais não diferiram entre si, e em relação ao Km e Cmin, os clones não diferiram estatisticamente. Para Ca, os clones estudados diferiram quanto ao valor de Vmax e Km, não diferindo, entretanto, para o Cmin. Os menores valores de Km para Mg foram verificados para os clones 57 e 7074, ou seja, as proteínas transportadoras de Mg na membrana plasmática das células radiculares apresentaram maior afinidade para esse nutriente. Contudo, os valores de Vmax e Cmin não diferiram entre os clones estudados. Diferenças na eficiência nutricional dos clones estudados quanto a K e a Ca foram devidas às diferenças na eficiência de absorção, e para Mg às diferenças na eficiência de absorção e de utilização.

Rotina computacional para a determinação da velocidade de sedimentação das partículas do solo em suspensão no escoamento superficial

O presente trabalho teve como objetivo desenvolver uma rotina computacional para a determinação da velocidade de deposição de partículas em suspensão no escoamento superficial, verificar sua aplicação por intermédio de modelo de transporte de sedimentos e comparar os resultados obtidos com dados experimentais. Empregou-se na rotina o processo iterativo de Newton-Rapshon para a solução das equações empregadas na determinação da velocidade de deposição de partículas em suspensão no escoamento superficial, e na solução da equação do transporte de sedimentos empregou-se a técnica das diferenças finitas. Essas rotinas foram empregadas na implementação do modelo MTSES (Modelo para Transporte de Solutos no Solo e no Escoamento Superficial). As velocidades de queda das partículas obtidas pela rotina desenvolvida, em média, foram superestimadas, com erro relativo médio de 0,63%, o que possibilitou a utilização da rotina desenvolvida no MTSES. O modelo MTSES superestimou o total de sedimentos transportados pelo escoamento superficial para todas as intensidades de precipitação empregadas neste estudo, com variações porcentuais de 15,6 a 58,3%.

Modelo aplicado à dinâmica da água e do potássio no solo sob irrigação por gotejamento: análise de sensibilidade

A compreensão do transporte simultâneo da água e de solutos, a partir de uma fonte pontual, permite desenvolver estratégias eficientes na fertirrigação, sendo importante no dimensionamento, na operação e no manejo de sistemas de irrigação localizada. O presente trabalho teve como objetivo apresentar a análise de sensibilidade de um modelo matemático, desenvolvido para simular o deslocamento simultâneo de água e de potássio na irrigação por gotejamento. A análise de sensibilidade foi realizada com respeito às variações individuais da condutividade hidráulica do solo saturado, umidade inicial e saturada do solo, dispersividade, fator de retardamento e vazão do emissor. Os resultados obtidos revelaram que o modelo matemático, com relação à distribuição de água, é bastante sensível à umidade de saturação e inicial do solo e, em relação à distribuição de potássio, é bastante sensível a variações negativas da condutividade hidráulica do solo saturado e da vazão do gotejador; já em relação aos parâmetros de transporte de solutos no solo, é bastante sensível a variações negativas do fator de retardamento e pouco sensível às variações da dispersividade do solo.

Aquaporinas: de canais de água a transportadores multifuncionais em plantas

Da identificação funcional da primeira aquaporina de plantas, em 1993, aos dias de hoje, uma grande quantidade de informações sobre a estrutura, a localização e a função dos diferentes membros desta família multigênica de proteínas de membrana foi disponibilizada pela comunidade científica. Inicialmente consideradas como "simples canais de água", as aquaporinas se mostraram capazes de transportar gases e pequenos solutos neutros, como glicerol, uréia e silício, revolucionando o conceito de transporte transmembrana. Devido à redundância dos genes de aquaporinas e à sua distribuição em todos os órgãos e tecidos vegetais, essas proteínas têm sido consideradas essenciais na manutenção de funções vitais, como absorção de água e nutrientes em raízes, germinação de sementes, fotossíntese, transpiração e reprodução. O presente trabalho faz uma revisão sobre a caracterização funcional e molecular das aquaporinas e sua importância no desenvolvimento da planta e na resposta a estresses ambientais. Apesar dos avanços nas pesquisas com aquaporinas de plantas, existem poucos estudos com espécies nativas de regiões tropicais havendo, portanto, vasto campo de pesquisa a ser explorado, tendo em vista as diferenças na disponibilidade de água, a ocorrência de estresses ambientais diversos nos biomas tropicais e os mecanismos empregados pelas plantas dessas regiões para se adaptar à grande variedade de condições ambientais.

Variabilidade dos testes de adequação da diálise peritoneal ambulatorial contínua

Os testes de adequação da diálise peritoneal ambulatorial contínua – (CAPD) e a determinação das características de transporte de solutos pela membrana peritoneal são muito importantes para a prescrição e avaliação da dose de diálise, assim como para a individualização da prescrição. Esses testes fornecem informações objetivas e permitem uma monitorização da dose de diálise oferecida para o paciente. Neste estudo, foi avaliada a variabilidade e reprodutibilidade dos testes de adequação da CAPD − depuração fracional de uréia (KT/V) e depuração de creatinina total semanal (D cr total semanal), assim como, a taxa de catabolismo protéico (PCR) – e do teste de equilíbrio peritoneal (PET), em pacientes em programa regular de CAPD nos ambulatórios de Nefrologia do Hospital de Clínicas de Porto Alegre e do Hospital Universitário de Santa Maria. Foram incluídos 24 pacientes e efetuadas três avaliações consecutivas, com realização dos testes de adequação da diálise e do teste de equilíbrio peritoneal em cada avaliação. O intervalo entre a avaliação I e II foi de 43,3 ± 23,4 dias e entre a avaliação II e III foi de 66,2 ± 42,8 dias. Em cada avaliação foram coletados dialisado e urina de 24 horas para dosagem de creatinina e uréia. Amostra de sangue foi coletada no final da coleta de 24 horas para dosagem de uréia e creatinina. Foi medido o volume de dialisado e de urina de 24 horas. No final da coleta de 24 horas foi realizado o teste de equilíbrio peritoneal (PET), com uma solução de diálise com concentração de 2,5% e com duração de quatro horas. Com esses resultados, foi possível calcular cada teste e realizar a análise estatística. Na avaliação I , os testes de adequação da CAPD apresentaram médias de KT/V de 2,15 ± 0,44; D cr total semanal de 66,8 ± 14,5 litros/semana; PCR de 55,5 ± 16,0 g/dia e PCRn de 1,04 ± 0,21 g/kg/dia. Na avaliação II, os testes apresentaram médias de KT/V de 2,11 ± 0,39; D cr total semanal de 65,3 ± 13,3 litros/semana; PCR de 55,0 ± 14,6 g/dia e PCRn de 1,03 ± 0,23 g/kg/dia. Na avaliação III, as médias foram: para o KT/V, 2,18 ± 0,35; para Dcr total semanal, 63,0 ± 11,4 litros/semana; para PCR, 55,2 ± 16,7 g/dia e para PCRn, 1,05 ± 0,25 g/kg/dia. A comparação entre as médias foi feita pelo teste de análise de variância e comparações múltiplas. Não houve diferença estatisticamente significativa entre as três avaliações consecutivas. A variabilidade dos testes de adequação da CAPD foi analisada através do coeficiente de variação, a concordância de cada teste, em cada avaliação, foi feita pelo teste de concordância de kappa e a associação, pelo teste do Qui-Quadrado. O KT/V apresentou coeficiente de variação média (CV%) de 9,78%; a D cr total semanal teve coeficiente de variação média de 8,84%; a PCR apresentou CV% médio de 7,74% e a PCRn teve CV% médio de 7,09%. Esses testes mostraram uma fraca a média concordância e não mostraram associação entre as três avaliações. Os componentes do teste de equilíbrio peritoneal apresentaram os seguintes coeficientes de variação: relação glicose dialisado T4/T0 de 20,2%; relação creatinina dialisado T4/creatinina plasmática T4 de 14,1%; e volume drenado na quarta hora de 5,0%. Não houve diferença estatisticamente significativa entre as três avaliações consecutivas. A relação da glicose apresentou a maior variabilidade, seguida pela relação da creatinina e pelo volume de dialisado drenado na quarta hora. O teste de equilíbrio peritoneal não foi reproduzível. Em apenas 20% dos testes, foi possível classificar os pacientes quanto às características de transporte peritoneal, considerando os três critérios, nas três avaliações. Em 80% dos testes, a classificação foi feita por dois critérios coincidentes ou pela relação dialisado plasmática da creatinina. Na classificação final, a maioria dos testes de equilíbrio peritoneal foram médio alto e médio baixo transportadores. Os resultados mostram que os testes de adequação da CAPD e o PET não apresentam diferença estatisticamente significativa entre as três avaliações consecutivas. A variabilidade dos testes de adequação da diálise foi de 8 a 10%. A função renal residual apresentou variabilidade muito mais elevada que a depuração peritoneal. Os testes de adequação da CAPD também apresentam fraca a boa concordância, considerando as três avaliações. Essa variabilidade pode ser clinicamente significativa e deve ser considerada na avaliação e prescrição dos pacientes em CAPD.

Estudo comparativo entre o modelo analítico de Domenico (1987) e Wexler (1992) e suas implicações no gerenciamento de passivos ambientais

Pós-graduação em Geociências e Meio Ambiente - IGCE

Aplicação de métodos geoestatísticos no estudo das distribuições espaciais de condutividade hidráulica em áreas do Sistema Aquífero Guarani (SAG) e do Sistema Aquífero Bauru (SAB) no Estado de São Paulo

A condutividade hidráulica (K) é um dos parâmetros controladores da magnitude da velocidade da água subterrânea, e consequentemente, é um dos mais importantes parâmetros que afetam o fluxo subterrâneo e o transporte de solutos, sendo de suma importância o conhecimento da distribuição de K. Esse trabalho visa estimar valores de condutividade hidráulica em duas áreas distintas, uma no Sistema Aquífero Guarani (SAG) e outra no Sistema Aquífero Bauru (SAB) por meio de três técnicas geoestatísticas: krigagem ordinária, cokrigagem e simulação condicional por bandas rotativas. Para aumentar a base de dados de valores de K, há um tratamento estatístico dos dados conhecidos. O método de interpolação matemática (krigagem ordinária) e o estocástico (simulação condicional por bandas rotativas) são aplicados para estimar os valores de K diretamente, enquanto que os métodos de krigagem ordinária combinada com regressão linear e cokrigagem permitem incorporar valores de capacidade específica (Q/s) como variável secundária. Adicionalmente, a cada método geoestatístico foi aplicada a técnica de desagrupamento por célula para comparar a sua capacidade de melhorar a performance dos métodos, o que pode ser avaliado por meio da validação cruzada. Os resultados dessas abordagens geoestatísticas indicam que os métodos de simulação condicional por bandas rotativas com a técnica de desagrupamento e de krigagem ordinária combinada com regressão linear sem a técnica de desagrupamento são os mais adequados para as áreas do SAG (rho=0.55) e do SAB (rho=0.44), respectivamente. O tratamento estatístico e a técnica de desagrupamento usados nesse trabalho revelaram-se úteis ferramentas auxiliares para os métodos geoestatísticos.

Modelagem multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente: aplicação a meios porosos argilosos

In this master thesis, we propose a multiscale mathematical and computational model for electrokinetic phenomena in porous media electrically charged. We consider a porous medium rigid and incompressible saturated by an electrolyte solution containing four monovalent ionic solutes completely diluted in the aqueous solvent. Initially we developed the modeling electrical double layer how objective to compute the electrical potential, surface density of electrical charges and considering two chemical reactions, we propose a 2-pK model for calculating the chemical adsorption occurring in the domain of electrical double layer. Having the nanoscopic model, we deduce a model in the microscale, where the electrochemical adsorption of ions, protonation/ deprotonation reactions and zeta potential obtained in the nanoscale, are incorporated through the conditions of interface uid/solid of the Stokes problem and transportation of ions, modeled by equations of Nernst-Planck. Using the homogenization technique of periodic structures, we develop a model in macroscopic scale with respective cells problems for the e ective macroscopic parameters of equations. Finally, we propose several numerical simulations of the multiscale model for uid ow and transport of reactive ionic solute in a saturated aqueous solution of kaolinite. Using nanoscopic model we propose some numerical simulations of electrochemical adsorption phenomena in the electrical double layer. Making use of the nite element method discretize the macroscopic model and propose some numerical simulations in basic and acid system aiming to quantify the transport of ionic solutes in porous media electrically charged.

Modelagem multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente: aplicação a meios porosos argilosos

In this master thesis, we propose a multiscale mathematical and computational model for electrokinetic phenomena in porous media electrically charged. We consider a porous medium rigid and incompressible saturated by an electrolyte solution containing four monovalent ionic solutes completely diluted in the aqueous solvent. Initially we developed the modeling electrical double layer how objective to compute the electrical potential, surface density of electrical charges and considering two chemical reactions, we propose a 2-pK model for calculating the chemical adsorption occurring in the domain of electrical double layer. Having the nanoscopic model, we deduce a model in the microscale, where the electrochemical adsorption of ions, protonation/ deprotonation reactions and zeta potential obtained in the nanoscale, are incorporated through the conditions of interface uid/solid of the Stokes problem and transportation of ions, modeled by equations of Nernst-Planck. Using the homogenization technique of periodic structures, we develop a model in macroscopic scale with respective cells problems for the e ective macroscopic parameters of equations. Finally, we propose several numerical simulations of the multiscale model for uid ow and transport of reactive ionic solute in a saturated aqueous solution of kaolinite. Using nanoscopic model we propose some numerical simulations of electrochemical adsorption phenomena in the electrical double layer. Making use of the nite element method discretize the macroscopic model and propose some numerical simulations in basic and acid system aiming to quantify the transport of ionic solutes in porous media electrically charged.

Um novo método para estudos dinâmicos, in situ, da infiltração da água na região não-saturada do solo.

A agricultura é a atividade humana que mais afeta o meio ambiente. Imensas quantidades de insumos agrícolas são aplicados sobre o solo e grande parte destes degrada os recursos hídricos. Para uma investigação adequada do efeito destes insumos, estudam-se as propriedades hidráulicas do solo, que influem no transporte de solutos neste meio. Medir tais propriedades e modelar os parâmetros correlatos são tarefas extremamente complexas, devido ao tempo requerido, dinheiro, instrumentação e escala. As metodologias convencionais inferem as propriedades hidráulicas em amostras que estão em equilíbrio, através de técnicas invasivas e sob restrições especiais. esta tes contribui com a Ciência do Ambiente, via Ciência do Solo, propondo um novo método de estudo da infiltração da água na região não-saturada do solo, utilizando a tomografia computadorizada (TC). O tomógrafo foi aqui desenvolvido e construído. A TC, neste trabalho, mediu a umidade durante o fluxo não-saturado e, através da solução numérica da equação de Richards e do modelo Rossi-Nimmo, obtiveram-se a curva de retenção, a sortividade, e a difusividade. Resultados qualitativos, como imagens 2D e 3D, e resultados quantitativos demonstraram a boa correlação do método proposto com o método tradicional de medida da curva de retenção. Amostras de solo estruturado foram analisadas em laboratório e em camp.

Fisiologia do transporte de fluidos e solutos atraves da membrana peritoneal

Nesta revisão, são explicados os fenômenos envolvidos nas trocas de fluidos e solutos através da membrana peritoneal, tanto na situação fisiológica quanto no contexto da diálise peritoneal. Para tanto, são utilizados os modelos matemáticos desenvolvidos para estudo do transporte pela membrana, tais como o "Modelo de Poros" e o "Modelo Distributivo". Os ganhos científicos com as pesquisas nesse campo são contemplados e as áreas que merecem pesquisas adicionais também são citadas. Assim, o estado atual do conhecimento fisiológico a respeito dessa modalidade de terapia renal substitutiva, no que se refere aos eventos relacionados à membrana peritoneal, encontra-se sintetizado nesse manuscrito.