Computational model of one-dimensional flow of water in an unsaturated soil

O estudo do fluxo de água em zonas não saturadas do solo é de grande importância para pesquisas relacionadas à disponibilidade hídrica para o desenvolvimento das plantas. Devido ao alto custo, ao tempo demandado e ao esforço humano nas investigações de campo, os modelos matemáticos, aliados às técnicas numéricas e avanços computacionais, constituem-se em uma ferramenta importante na previsão desses estudos. No presente trabalho, objetivou-se solucionar a equação diferencial parcial não linear de Richards mediante a aplicação do Método de Elementos Finitos. Na aproximação espacial, foi empregada a adaptatividade com refinamento "h" na malha de elementos finitos e, na derivada temporal, foi aplicado o esquema de Euler Explícito. A função interpolação polinomial utilizada foi de grau 2, e a que garantiu a conservação de massa da estratégia de adaptação. Para a validação do modelo, foram utilizados dados disponíveis em literatura. A utilização da função interpolação polinomial de grau 2 e o refinamento "h", com considerável redução do tempo de execução da rotina computacional, permitiram uma boa concordância do modelo em comparação a soluções disponíveis na literatura.Study of water flow in the unsaturated soil zone is of great importance for research related to the water availability for crop development. Due to the high cost, the time required and the human effort in the field investigations, mathematical models combined with numerical techniques and computational advances are important tools in the prediction of these studies. This work aimed to solve the Richards's non-linear partial differential equation by applying the Finite Element Method. Adaptability with "h" refinement of the finite element mesh was used in the spatial approximation, while Explicit Euler scheme was applied for the time derivative. The polynomial interpolation function used was of degree two, and ensured the mass conservation of the adaptation strategy. To validate the model, data available in the literature were used. Use of the polynomial interpolation function with degree two and the "h" refinement, with considerable reduction of the computational runtime allowed good agreement in comparison to solutions available in the literature

METODOLOGIAS ATIVAS NO ENSINO SUPERIOR: UM MAPEAMENTO SISTEMÁTICO NO CONTEXTO DOS CURSOS DE ENGENHARIA

Active learning is all pedagogical alternatives that place the focus of learning on the students. With the mediation of competent teachers, the students learn by discovery, by investigation, and by problems. Such methodologies commonly promote more content retention and comprehension once the students are engaged in activities, whether through research, group collaborations, discussion, and problem solving. This work aimed to verify the temporal evolution of active learning methods in higher education Engineering courses, based on a systematic mapping of the literature. We observed which are the main researchers in this field, their geographic location and which methodologies are preferred in the context of these courses. From the results, we observe a growth of scientific publications on active learning methodologies and Engineering Education, especially in the last five years of the period analysed (between 2015 and 2020). We also see researchs on this field in all continents, with a predominance of studies led by American and European researchers. In the mapped studies, the inverted classroom and problem-based learning were the most identified methodologies. It demonstrates a concern of teachers in this area to promote activities with high involvement, which allow the development of personal and professional skills and competencies, even during their training period.Las metodologías activas pueden entenderse como alternativas pedagógicas que ponen el foco del aprendizaje en los alumnos. Con la mediación de profesores competentes, los alumnos aprenden a partir del descubrimiento, la investigación y los problemas. Estas metodologías suelen promover una mayor retención y comprensión de los contenidos enseñados, ya que el alumno participa en actividades, ya sea a través de la investigación, la colaboración en grupo, el debate y la resolución de problemas. Este trabajo tuvo como objetivo verificar la evolución temporal del uso de las metodologías activas en el contexto de los cursos de educación superior en Ingeniería, a partir de un mapeo sistemático de la literatura. A partir de un protocolo de investigación debidamente definido, se buscó verificar cuáles son los principales investigadores en esta área, su ubicación geográfica y cuáles son las metodologías preferidas en el contexto de estos cursos. A partir de los resultados, se pudo observar que el crecimiento en el número de publicaciones científicas sobre metodologías activas en el contexto de la Enseñanza de la Ingeniería, especialmente en los últimos cinco años del período analizado (entre 2015 y 2020). Se puede observar la realización de investigaciones en este contexto en todos los continentes, con un predominio de estudios dirigidos por investigadores americanos y europeos. En los estudios mapeados, el flipped classroom y el aprendizaje basado en problemas fueron las metodologías más identificadas. Esto demuestra una mayor preocupación entre los profesores de la zona por promover actividades con alta implicación que permitan el desarrollo de habilidades y competencias personales y profesionales durante el periodo de formación.As metodologias ativas podem ser entendidas como alternativas pedagógicas que colocam o foco do aprendizado nos estudantes. Com mediação de docentes competentes, os alunos aprendem a partir da descoberta, da investigação e por problemas. Tais metodologias comumente promovem uma maior retenção e compreensão de contéudos ensinados, uma vez que o aprendiz se encontra engajado nas atividades, seja por meio de pesquisa, colaborações em grupo, discussão e resolução de problemas. Este trabalho teve como objetivo verificar a evolução temporal do uso de metodologias ativas, no contexto dos cursos superiores de Engenharia, a partir de um mapeamento sistemático da literatura. A partir de um protocolo de pesquisa devidamente definido, buscou-se verificar quais os principais pesquisadores desta área, sua localização geográfica e quais as metodologias preferidas no contexto destes cursos. A partir dos resultados, foi possível observar que o crescimento do número de publicações científicas sobre metodologias ativas no contexto da Educação em Engenharia, em especial nos últimos cinco anos do período analisado (entre 2015 e 2020). Pode-se notar a realização de pesquisas neste contexto em todos os continentes, com predomínio de estudos liderados por pesquisadores americanos e europeus. Nos estudos mapeados, a sala de aula invertida e a aprendizagem baseada em problemas foram as metodologias mais identificadas. Isso demostra uma maior preocupação dos professores da área em promover atividades com elevado envolvimento, que permitam o desenvolvimento de habilidades e competências pessoais e profissionais, ainda no período de formação

Avaliação do rebaixamento potenciométrico no Sistema Aquífero Guarani em Bauru/SP usando um modelo de elementos analíticos

The recent drought events and the population growth in São Paulo State (Brazil) have caused many municipalities to increase the groundwater exploitation of the Guarani Aquifer System (GAS) for the public water supply. In Bauru City/SP, the extraction of water from this Aquifer is expected to increase from 3699 m3/h (2014) to 4465 m3/h (2034). However, its long-term overexploitation may compromise the amount of available groundwater. The Analytic Element Method was used for groundwater flow modeling at steady-state, which includes the regional flow, the water withdrawal from wells and the main local geological conditions. The hydraulic gradient 0.82 m/km was estimated in the GAS in Bauru City. The potentiometric drawdown in the GAS in Bauru was estimated as 50 m since the beginning of the groundwater exploitation. The drawdown for the groundwater pumping scenario in 2014 is higher than 15 m in Piratininga and Agudos and lower than 10 m in further cities. The expected drawdown for the scenario of 2034 can reach 15 m in comparison with the scenario of 2014, in the North of Bauru City, where the future wells will be located2Os eventos de escassez hídrica observados nos últimos anos e o aumento populacional no Estado de São Paulo têm conduzido à maior explotação de água subterrânea do Sistema Aquífero Guarani (SAG) para abastecimento público. Somente no município de Bauru/SP, está previsto um aumento da vazão de água extraída deste Aquífero de 3699 m3/h (2014) para 4465 m3/h (2034). Entretanto, a superexplotação em longo prazo do Aquífero pode comprometer a quantidade de água disponível. O Método dos Elementos Analíticos foi utilizado para a modelagem do escoamento em regime permanente, considerando o escoamento regional, a extração de água por poços em Bauru/SP e os principais condicionantes geológicos locais. Observou-se que o gradiente hidráulico do SAG na cidade de Bauru era de aproximadamente 0,82 m/km. O rebaixamento potenciométrico no SAG em Bauru foi estimado em 50 m desde o início da explotação de água por poços. O rebaixamento estimado para as cidades vizinhas sob o cenário de extração de água do SAG em 2014, com relação ao cenário inicial (sem poços), é superior a 15 m em Piratininga e Agudos e inferior a 10 m nas cidades mais afastadas. Espera-se que o rebaixamento adicional devido ao cenário de 2034 com relação ao cenário de 2014 seja de até 15 m ao norte da cidade de Bauru, onde os novos poços estão sendo perfurado

Metodologia para equação IDF baseada em registros pluvigráficos reduzidos

In the climate change scenario, extreme rainfall events are increasing in significance and frequency. It is essential to estimate the maximum precipitation intensity for designing hydraulic-hydrological structures, such as macrodrainage. Thus, this study makes a comparison between disaggregation coefficients and forms of the intense rainfall equation to determine an Intensity, Duration and Frequency (IDF) equation for Barcarena-PA. The rainfall historical series available in the Hidroweb database extends between 1981 and 2018. The Gumbel distribution presents the best fit in the return periods: 2, 5, 10, 50, 100, 200 and 1000 years, by the following tests: Filliben, Variance and Kolmogorov-Smirnov. The disaggregation of 1-day precipitation into shorter durations was done in two ways: using disaggregation coefficients recommended by the literature, as well as local disaggregation coefficients. For the construction of the IDF equation, two frequently used representations were considered: the first based on the determination of the coefficients: K, a, b and c; and the second, described in the Pluviometric Atlas of Brazil (APB), determines the coefficients: A, B, C, D and δ. The results indicated that the use of local disaggregation coefficients, in this case DCBarcarena, with adjustment coefficient R2=0.9945, together with the use of the equation described in the APB, provides the best fit, R2=0.9998, to historical data. When compared with other IDF equations from Barcarena-PA, the previous finding is clear in terms of underestimating the intensity values. Thus, the methodology presented here can be extended to locations with reduced sub-daily rainfall records associated with large annual maximum daily rainfall records.Eventos extremos de chuvas estão cada vez mais significativos e frequentes no cenário de mudanças climáticas. Para o dimensionamento de estruturas hidráulico-hidrológicas, como macrodrenagem, é fundamental a estimativa da intensidade máxima precipitada. Assim, esta pesquisa apresenta um comparativo entre coeficientes de desagregação e formas da equação de chuvas intensas para determinar uma equação de intensidade, duração e frequência (IDF) para Barcarena/PA. A série histórica pluviométrica disponível no banco de dados Hidroweb estendeu-se entre 1981 e 2018. Os dados avaliados pelos testes Filliben, análise de variância e Kolmogorov-Smirnov apontaram a distribuição Gumbel com melhor aderência nos períodos de retorno: 2, 5, 10, 50, 100, 200 e 1.000 anos. Para a desagregação da precipitação de um dia em durações menores, utilizaram-se coeficientes de desagregação recomendados pela literatura, bem como coeficientes de desagregação locais. Para a construção da equação IDF foram consideradas duas representações frequentemente usadas: a primeira baseada na determinação dos coeficientes K, a, b e c; e a segunda, descrita no Atlas Pluviométrico do Brasil (APB), que determina os coeficientes A, B, C, D e α. Os resultados mostraram que o uso de coeficientes de desagregação locais, neste caso DCBarcarena, melhora a aderência da equação aos dados históricos, com coeficiente de ajuste R2=0,9945, e o uso da equação descrita no APB fornece ajuste ainda melhor, com R2=0,9998. Quando confrontada com outras equações IDF de Barcarena/PA, a constatação anterior fica evidente, isto é, subestima os valores de intensidade. Dessa forma, a metodologia ora apresentada pode ser estendida para localidades com série reduzidas de registros pluviográficos associados aos registros pluviométricos

CARACTERIZAÇÃO HIDROGEOQUÍMICA DE ÁREA IMPACTADA POR DEPÓSITO DE RESÍDUOS DESATIVADO EM ZONA DE RECARGA DO AQUÍFERO GUARANI

The disposal of solid waste without a proper planning can impact the surroundings for decades or centuries after the activities ended. The impact of the leached contaminants in the surroundings depends on the characteristics of the geological formation, as well as of the occurrence of transport and attenuation processes. This study aimed at studying the contaminants found in the surroundings of an old landfill located in a Guarani Aquifer recharge zone, as well as their seasonal variations. Samples from 14 monitoring wells were collected in July and December 2017 and different parameters were analyzed, such as pH, electrical conductivity, alkalinity, COD, chloride, nitrate, ammoniacal nitrogen, iron, manganese, calcium and metals. High contaminants concentrations were found inside the waste deposit, but a considerable decrease was observed downstream. Even so, a visible influence of the deposit in its surroundings was verified, with the possible occurrence of redox reactions and seasonal quality fluctuations in the sampled wells. Researches focusing on the monitoring and mapping of contaminant plumes in Brazilian territory – whose geological and climatic conditions, as well as landfilled contents, are unique – are still imperative, so as to contribute to the establishment of guidelines for the management of these areas.A deposição de resíduos sólidos sem o adequado planejamento pode impactar o entorno por décadas ou séculos após o término das atividades. O impacto das contaminantes lixiviados no meio depende das características da formação geológica, bem como da ocorrência de processos de transporte e atenuação. Este estudo visou a estudar os contaminantes encontrados no entorno de um depósito de resíduos desativado localizado em área de recarga do Aquífero Guarani, bem como suas variações sazonais. Foram realizadas coletas de amostras de água subterrânea em 14 poços de monitoramento em julho e dezembro de 2017, e foram analisados diferentes parâmetros de interesse, como pH, condutividade, alcalinidade, DQO, cloretos, nitrato, nitrogênio amoniacal, ferro, manganês, cálcio e metais potencialmente tóxicos. Verificaram-se altas concentrações de contaminantes no interior do depósito de resíduos, mas considerável redução à jusante. Ainda assim, observou-se nítida influência do depósito em seu entorno, com possível ocorrência de reações redox e com variações sazonais da qualidade dos poços amostrados. Estudos visando ao monitoramento e mapeamento de plumas de contaminantes em território brasileiro – cujas condições geológicas e climáticas, bem como de resíduos aterrados, são únicas – são ainda imprescindíveis, de forma a contribuir para o estabelecimento de diretrizes ao gerenciamento dessas áreas

Integration of spatial and temporal models to predict extreme water table depths

The objective of this work was to evaluate extreme water table depths in a watershed, using methods for geographical spatial data analysis. Groundwater spatio-temporal dynamics was evaluated in an outcrop of the Guarani Aquifer System. Water table depths were estimated from monitoring of water levels in 23 piezometers and time series modeling available from April 2004 to April 2011. For generation of spatial scenarios, geostatistical techniques were used, which incorporated into the prediction ancillary information related to the geomorphological patterns of the watershed, using a digital elevation model. This procedure improved estimates, due to the high correlation between water levels and elevation, and aggregated physical sense to predictions. The scenarios showed differences regarding the extreme levels - too deep or too shallow ones - and can subsidize water planning, efficient water use, and sustainable water management in the watershed

Modelo numérico de escoamento subterrâneo na região de São José do Rio Preto - SP

Public water supply in São José do Rio Preto partly depends on groundwater exploitation from the Bauru Aquifer. Aiming to delimit restriction areas and abstraction control a numerical model has been developed to study groundwater resources exploitation scenarios. In this work the conceptual model, the numerical model construction, the pre-exploitation scenario and the evaluation of the pumping impacts are presented. According to the obtained results, in topographically low areas with high concentration of wells, the surface water bodies recharge the aquifer contributing for the water supply to the wells. The water balance indicates a total recharge of 76,544,173 m³/a corre-sponding to an average recharge rate of 200 mm/a for the whole study area. An estimated discharge of 10,123,000 m³/a represents the water volume elevated by the wells that return to the aquifer due to water losses in the distribu-tion network and sewage collection. The exploitation rate is estimated as 33.5% of the renewable groundwater re-sources in the study area.O abastecimento público de água no município de São José do Rio Preto depende em grande parte da exploração de água subterrânea do Aquífero Bauru. Com a finalidade de delimitar áreas de restrição e controle da captação e uso das águas subterrâneas, foi desenvolvido um modelo numérico para estudo de cenários de exploração dos recursos hídricos subterrâneos na área de estudo. Neste artigo são apresentado o modelo conceitual, a construção do modelo numérico, o cenário pré-exploração e a simulação com bombeamento para avaliação dos impactos no sistema. De acordo com os resultados obtidos, nas regiões topograficamente mais baixas, onde a concentração de poços de bombeamento é maior, os cursos d’água alimentam o aquífero, contribuindo para o abastecimento dos poços. O balanço hídrico indica que a recarga total de 76.544.173 m³/a corresponde a uma taxa de recarga média de aproximadamente 200 mm/a para a área de estudo. Aproximadamente 10.123.000 m³/a representam o volume de água elevado pelos poços, que retorna ao aquífero devido às perdas nas redes de distribuição de água e coleta de esgotos. Dessa forma, a taxa de exploração dos recursos hídricos subterrâneos renováveis é de aproximadamente 33,5% na área de estudo.FAPESP - Proc. 02/09696-