Sensibilidade dos parâmetros hidrodinâmicos na simulação dos processos de transferência de água em um pavimento permeável
ABSTRACT
The high urbanization process has caused profound changes in the components of the hydrological cycle, causing various problems such as flooding, rainwater degradation, among others. Low Impact Development (LID) techniques have proven to be a viable and effective alternative to stormwater management, reducing runoff, and increasing the infiltration and evapotranspiration capacity of urban areas. The operation prediction of a compensatory technique, such as permeable pavement, depends on the hydrodynamic properties of the permeable pavement layers and the subsoil properties. The numerical solutions based on the solution of Richards’ equation have been the most used to estimate water transfer processes. The objective of this work was to investigate the influence of hydrodynamic parameters on the hydraulic behavior of a permeable pavement installed in Recife-PE. The effect of 5 hydrodynamical parameters was analyzed for a highly heterogeneous permeable pavement. The Hydrus 1-D model was used to simulate water transfer processes on the permeable pavement. Initially, a sensitivity analysis of the mesh refinement degree was performed to simulate the transfer processes in the permeable pavement. The response surface method was applied to the hydrodynamic parameters to perform the sensitivity analysis. The calculations were carried out for hourly and daily time scales. As a result, it was observed that the spatial discretization had no influence on the scenarios of the flow variable. The use of a daily time resolution reduced the influence of events with higher precipitation intensity, underestimating the generation of runoff. The surface runoff showed higher sensitivity to the parameters of the superficial layer, especially to the saturated hydraulic conductivity. The cumulative infiltration and groundwater recharge showed low sensitivity when the hydrodynamic parameters of the retention curve and the saturated hydraulic conductivity varied. The volume of water stored in the profile showed higher sensitivity to the ‘θs’ and ‘n’ parameter of the subbase layer. The use of meteorological input data with different temporal resolutions for the simulation of the water transfer processes in the permeable pavement section demonstrated that the hydrodynamic parameters have a higher influence than the climatic variables in the daily resolution. The use of meteorological data with hourly temporal resolution demonstrated that runoff was hypothetically controlled by meteorological variables. The mesh and parameter sensitivity analysis can influence researches that seek to understand water transfer processes in a structure as a permeable pavement through the Richards’ equation, generating a lower operating cost and speeding up simulations.
Keywords:
LID; Richards’ equation; Numerical errors; Hydrus
RESUMO
O elevado processo de urbanização tem provocado profundas alterações nos componentes do ciclo hidrológico, ocasionando diversos problemas como inundações, degradação das águas pluviais, entre outros. As técnicas de Desenvolvimento de Baixo Impacto (LID) provaram ser uma alternativa viável e eficaz na gestão das águas pluviais, reduzindo o escoamento superficial e aumentando a capacidade de infiltração e evapotranspiração das áreas urbanas. A previsão do funcionamento de uma técnica compensatória como um pavimento permeável depende das propriedades hidrodinâmicas das camadas do pavimento permeável, bem como das propriedades hidráulicas do subsolo. Os modelos baseados na solução numérica da equação de Richards têm sido os mais utilizados para a estimativa dos processos de transferência de água. O objetivo deste trabalho foi investigar a influência dos parâmetros hidrodinâmicos no comportamento hidráulico de um pavimento permeável instalado na cidade de Recife-PE. O efeito de 5 parâmetros hidrodinâmicos foi analisado para um pavimento permeável altamente heterogêneo. Foi utilizado o modelo Hydrus 1-D para simular os processos de transferência de água num pavimento permeável. Inicialmente foi realizada uma análise de sensibilidade do grau de refinamento da malha para simulação dos processos de transferência no pavimento permeável. O método de superfície de resposta foi aplicado para a análise de sensibilidade aos parâmetros hidrodinâmicos. As estimativas foram realizadas para as escalas de tempo diária e horária. Como resultados, observou-se que a discretização espacial não exerceu influência nos cenários das variáveis de fluxo. O uso de uma escala de tempo diária diminuiu a influência dos eventos de maior intensidade de precipitação, subestimando a geração de escoamento superficial. A lâmina escoada apresentou maior sensibilidade aos parâmetros da camada superficial, principalmente à condutividade hidráulica saturada. A infiltração e recarga acumuladas apresentaram baixa sensibilidade à variação dos parâmetros. A estimativa da lâmina armazenada no perfil foi mais sensível aos parâmetros ‘θs’ e ‘n’ da camada de subbase. A utilização de dados de entrada climatológicos com diferentes resoluções temporais para a simulação dos processos de transferência de água na seção do pavimento permeável demonstrou que na resolução diária os parâmetros hidrodinâmicos apresentam maior influência que as variáveis climáticas. A utilizados de dados climatológicos com resolução temporal horária demonstrou que o escoamento superficial foi hipoteticamente controlado pelas variáveis meteorológicas. A análise de sensibilidade da malha e dos parâmetros pode influenciar pesquisas que busquem entender os processos de transferência de água em uma estrutura como um pavimento permeável através da equação de Richards, gerando um menor custo operacional e dando celeridade às simulações.
Palavras-chave:
LID; Equação de Richards; Erros numéricos; Hydrus
