Fragmented Corrections to the van Genuchten–Mualem Model Diverge by 24–68% from a Consistent Coupled Parameterization: A Quantitative Demonstration for Thermal, Osmotic, and Hysteretic Conditions

A água não se move pelo solo da mesma forma que flui por um tubo liso. No solo, a água adere a minúsculos grãos, navegando por um labirinto de poros que encolhem e expandem conforme o solo seca ou molha. Para prever como essa água se move — seja a chuva infiltrando-se em um campo, o sal espalhando-se de uma irrigação ou a umidade deslocando-se através de uma barreira de argila — os cientistas dependem de um conjunto padrão de regras conhecido como o modelo de van Genuchten–Mualem. Este modelo atua como a calculadora padrão para o movimento da água em solos variadamente saturados, descrevendo o quão fortemente a água se prende às partículas de terra e com que facilidade ela pode deslizar entre elas. Por décadas, esta calculadora funcionou bem sob condições simples e estáveis. Mas o mundo real raramente é simples. As temperaturas do solo flutuam, a água da irrigação frequentemente contém sais dissolvidos e o caminho que a água percorre ao infiltrar-se raramente é o mesmo caminho que ela percorre ao drenar.

Quando essas condições complexas surgem, os pesquisadores tradicionalmente tentavam corrigir o modelo padrão aplicando correções separadas e isoladas. Eles ajustavam os números para o calor, depois aplicavam um ajuste diferente para o sal e, finalmente, adicionavam um terceiro ajuste para a diferença entre molhagem e secagem. O problema é que esses remendos eram frequentemente costurados sem verificar se se ajustavam à mesma lógica subjacente. Em um novo estudo, pesquisadores da Universidade de Recursos Naturais e Ambiente de Ho Chi Minh e da Universidade de Tecnologia de Ho Chi Minh demonstraram que essa abordagem fragmentada leva a erros significativos. Ao unificar essas correções em uma estrutura única e consistente e realizar simulações computacionais detalhadas, eles demonstraram que a antiga maneira fragmentada de calcular o movimento da água pode estar errada por dezenas de porcentagens, alterando drasticamente as previsões de quão profunda a água penetrará e quanto solo ela saturará.

Os pesquisadores focaram em três fatores ambientais específicos que alteram como a água se comporta no solo: temperatura, salinidade e o histórico de se o solo está molhando ou secando. Primeiro, eles observaram o calor. À medida que o solo aquece, a água torna-se menos viscosa, o que significa que flui mais facilmente, tal como o mel a afinar num dia quente. O modelo padrão muitas vezes ignora essa mudança, tratando a água como se tivesse a mesma espessura independentemente da temperatura. Segundo, eles examinaram o sal. Quando a água contém sais dissolvidos, ela desenvolve uma pressão osmótica que pode atrair a água ou retê-la, dependendo de se o solo atua como um filtro que bloqueia o sal. Muitos modelos existentes assumem que o solo sempre bloqueia o sal completamente, uma condição que raramente acontece em solos arenosos ou siltosos comuns. Terceiro, eles consideraram a histerese, um fenômeno onde o solo retém a água de forma diferente dependendo do seu passado. Um solo que está secando retém a água com mais força do que o mesmo solo que está atualmente absorvendo água, mas muitas contas ignoram essa distinção e utilizam uma única curva para ambos os estados.

Para testar o quanto esses ajustes separados importam, a equipe construiu um modelo computacional unificado que lida com temperatura, sal e histórico de molhagem todos de uma vez, garantindo que as regras para cada fator fossem consistentes entre si. Eles então realizaram uma simulação de um cenário realista: uma coluna de solo franco seco sendo irrigada com água salgada sob um gradiente de calor de verão, onde a superfície é quente e as camadas mais profundas são mais frias. Eles compararam os resultados do seu modelo unificado contra os resultados da abordagem tradicional e fragmentada, onde cada correção era aplicada isoladamente ou com suposições incorretas. As diferenças foram marcantes e fisicamente distintas. Quando a simulação ignorou o fato de que a água quente flui mais rápido, subestimou a quantidade total de água infiltrando-se no solo em 27 por cento. Quando ignorou a diferença entre os caminhos de molhagem e secagem, previu que a frente de molhagem viajaria 68 por cento mais profundamente do que realmente faria, sugerindo que a água chegaria muito mais fundo no subsolo do que realmente chegaria.

Talvez o erro mais dramático tenha vindo de como os modelos lidam com o sal. No mundo real, a maioria dos solos comuns, como areia e silte, não atua como filtros perfeitos para o sal; eles permitem que o sal se mova livremente com a água. No entanto, a abordagem fragmentada tradicional frequentemente assume que o solo atua como uma membrana perfeita, bloqueando todo o sal e criando uma sucção artificial massiva que retém a água. Os pesquisadores descobriram que mesmo uma pequena suposição incorreta de que o solo bloqueia apenas uma fração mínima do sal poderia suprimir a infiltração de água prevista entre 24 a 51 por cento. Se o modelo assumisse que o solo era uma membrana perfeita, ele essencialmente impedia o movimento da água, injetando uma pressão fictícia equivalente a uma coluna de água de dezenas ou até centenas de metros de altura. Este erro não é apenas um pequeno erro de cálculo; ele altera fundamentalmente o quadro físico do que está acontecendo no subsolo.

O estudo também validou a nova abordagem unificada contra dados do mundo real para garantir que as correções estivessem fundamentadas na realidade. Para o efeito da temperatura, eles utilizaram dados medidos independentemente para mostrar que simplesmente ajustar a tensão superficial não é suficiente; é necessária uma relação mais complexa para corresponder ao comportamento observado. Para o efeito do sal, eles revisaram medições de vários solos e confirmaram que o efeito de "membrana" é próximo de zero em areias e siltes, tornando-se significativo apenas em argilas altamente compactadas. Para a diferença entre molhagem e secagem, eles testaram o seu modelo unificado contra medições laboratoriais de curvas de umidade do solo, encontrando que um simples fator de ajuste poderia prever o comportamento de molhagem de solos de médio a fino com precisão razoável, embora o valor exato varie conforme o tipo de solo.

A descoberta central é que a consistência importa. Como a temperatura, a salinidade e a histerese afetam o movimento da água através de diferentes mecanismos físicos, aplicar esses fatores de forma desarticulada não permite que os erros se cancelem mutuamente. Em vez disso, os erros acumulam-se, levando a previsões que falham por margens elevadas. Os pesquisadores forneceram uma estrutura matemática única de forma fechada que incorpora todos os três fatores sem a necessidade de novos parâmetros desconhecidos. Esta nova formulação retorna ao modelo padrão quando as condições são normais, garantindo que se ajuste aos dados existentes, mas permanece robusta quando as condições mudam. O resultado é uma ferramenta mais fiável para engenheiros e cientistas que precisam prever como a água se move através do solo, seja gerindo a irrigação em campos afetados pelo sal, projetando barreiras para conter contaminantes ou compreendendo como a umidade se move através da crosta terrestre. Ao unificar estas correções, o estudo garante que os números usados para descrever o solo não sejam apenas uma coleção de remendos, mas um quadro coerente da realidade.