Simulação do escoamento superficial e erosão do solo utilizando o método do reticulado de Boltzmann

Abstract

Resumo: O estudo dos processos erosivos em bacias hidrográficas possui um caráter relevante na gestão dos recursos hídricos, o que tem desencadeado nas últimas décadas a busca de uma maior compreensão dos mecanismos de erosão e da dinâmica do transporte de sedimentos. Dita busca produziu diferentes tipos de modelos como os empíricos, os fisicamente baseados e os determinísticos-probabilísticos, todos estes baseados numa representação macroscópica do fluido, onde este é tratado como um meio contínuo. Diferentes campos da ciência têm mostrado interesse no desenvolvimento de modelos de simulação da dinâmica de fluidos baseados nas interações em nível de partículas, o que levou ao desenvolvimento de um modelo computacional alternativo, tal como o método do reticulado de Boltzmann ou método de lattice Boltzmann (LBM), o qual se encontra entre as escalas microscópica e macroscópica e consegue representar fenômenos complexos, consequência da convergência de interações moleculares e a consideração de valores macroscópicos. Assim sendo, nesta tese o modelo do reticulado de Boltzmann foi utilizado na representação da dinâmica do fluido no processo erosivo do solo por ação do escoamento superficial, para investigar o fenômeno do escoamento e erosão e suas implicações na microtopografia do terreno, um aspecto ainda não estudado ou investigado. Dessa maneira, desenvolveu-se uma modelagem e simulação baseadas no método do reticulado de Boltzmann, verificando os resultados com dados de monitoramentos em parcelas de erosão em estradas não pavimentadas. Os resultados mostram que o modelo foi capaz de reproduzir as descargas observadas líquida e sólida durante os picos. Embora o modelo de simulação não tenha se ajustado aos dados observados, esta primeira versão abriu a possibilidade de implementação de uma abordagem para simulação do processo erosivo por escoamento superficial na mesoescala e a possibilidade a outras investigações de chegar em representações mais acuradas no sentido de prever mudanças na microtopografia do solo que surgem como resultado de eventos de chuva. Destaca-se que a inovação do trabalho esteve na utilização de tecnologia não usual no campo da hidrossedimentologia e em escala diferente da tradicionalmente utilizada em modelos de erosão. Palavras-chave: mesoescala, Método de Lattice Boltzmann (MLB), erosão, escoamento superficial, produção de sedimentos.

Abstract: The study of erosive processes in watersheds has a relevant character in the water resources management, which has triggered in recent decades the search for a better understanding of erosion mechanics and sediment transport dynamics. This search produced different types of models such as empirical, physically based and deterministicprobabilistic models, all based on a macroscopic representation of the fluid, where it is treated as a continuum. Different fields of science have shown a growing interest in interparticle interactions based simulation models, resulting in the development of alternative computational models, such as the lattice Boltzmann model, which lies between the microscopic and macroscopic scales and can represent complex phenomena as a consequence of the convergence of molecular interactions and macroscopic values. The hypothesis to be tested in the present study is that the lattice Boltzmann method is feasible for a representation of the fluid dynamics in soil erosive processes by surface runoff, offering a better representation of the phenomenon and its implications in the microtopography of the ground surface. Thus, a simulation model based on the lattice Boltzmann method was developed and verified, using the monitoring data from erosion plots on unpaved roads. The results show that the model has the ability to reproduce solid and liquid discharge values close to those observed during peak flow. From the geomorphological point of view, a valuable contribution is the model enables predicting changes in soilmicrotopography that arise as a result of rainfall events. The use of a scale that is different from those traditionally used in erosion models (mesoscale in the place of macroscale) is a novel contribution of the study that increases the level of detail offered by the method and enables a representation of the erosive process that is closer to reality. Keywords: mesoscale, Lattice Boltzmann Method (LBM), erosion, surface runoff, sediment production