Infrared thermography as a ground-based sensing tool to assess surface hydrologic processes

Abstract

São conhecidos os vários impactos negativos do escoamento superficial e da erosão hídrica no meio ambiente e nas populações. Entender e modelar esses processos é, portanto, crucial para engenheiros, cientistas e responsáveis políticos na área da Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente. Investigações desses processos abrangem desde experiências de laboratório, monitorizações de campo e modelações numéricas. Todas estas abordagens têm em comum a necessidade de técnicas economicamente viáveis para a obtenção de dados hidrológicos de boa qualidade. O recente salto tecnológico em termografia por infravermelhos tem chamado a atenção da comunidade científica para o desenvolvimento e investigação de técnicas inovadoras de medição baseadas nesses sistemas. No entanto, até ao momento, o seu potencial ainda não foi completamente explorado, sendo ncessário mais investigação. Esta Tese teve como objetivo principal o desenvolvimento de técnicas inovadoras baseadas em termografia por infravermelha que possam ser usadas como ferramentas de deteção para avaliar diferentes características morfológicas e hidráulicas da superfície do solo e do escomento superficial, e investigar a utilidade dessa informação na melhoria da modelação e compreenção de processos hidrológicos superficiais, nomeadamente o escoamento superficial e a erosão hídrica. A investigação desenvolvida neste estudo de doutoramento iniciou-se com o desenvolvimento de técnicas inovadoras baseadas em termografia por infravermelhos para avaliar a morfologia da superfície do solo (microrrelevo e sulcos) e características hidráulicas da superfície do solo (permeabilidade, macroporosidade e hidrofobicidade). Numa primeira fase, estas técnicas foram desenvolvidas em condições controladas de laboratório, em situaçoes onde não é possível aplicar com sucesso algumas técnicas de medição mais comuns. Numa segunda fase, efectuou-se um estudo para investigar a aplicabilidade dessas técnicas para avaliar a hidrofobicidade do solo em condições reais de campo. Posteriormente, a investigação centrou-se no estudo de traçadores térmicos para avaliar características hidráulicas de escoamentos superficiais pouco profundos. A técnica do traçador térmico foi comparada a outras técnicas de traçadores mais tradicionais, como corante e sal. De seguida, explorou-se uma abordagem numérica para lidar com dados de traçadores térmicos como um método alternativo para estimar a velocidade de escoamentos superficiais. Finalmente, foi desenvolvido um modelo numérico bidimensional (2D) de escoamento superficial, infiltração e erosão hídrica. O modelo combina as equações bidimensionais do escoamento numa superfície permeável com uma equação bidimensional de transporte de sedimentos, distinguindo entre erosão entre sulcos, erosão em sulcos e deposição de sedimentos. As simulações numéricas foram validadas com dados experimentais de simulação de chuva em laboratório num canal de terra bidirecional. A investigação apresentada neste estudo de doutoramento revelou que a termografia por infravermelhos pode ser usada como uma ferramenta de aquisição de dados sobre as características da superfície do solo e do escoamento superficial. Estas técnicas mostraram grande potencial no sentido de: i) Estimar a variabilidade espacial da morfologia da superfície do solo onde outras técnicas não podem ser aplicadas (presença de resíduos orgânicos sobre a superfície do solo); ii) Estimar a variabilidade espacial de características hidráulicas da superfície do solo de forma mais rápida e expedita, em vez de múltiplas medições pontuais que precisam ser agrupadas para se obter coerência espacial; e iii) Estimar a velocidade superficial de escoamentos muito pouco profundos, onde muitos equipamentos de medição não podem ser usados. Uma grande vantagem destas técnicas é a possibilidade de monitorização qualitativa em tempo real da dinâmica espacial de alguns processos chave em hidrologia de superfície, usando apenas uma câmara de infravermelhos. No entanto, em termos quantitativos, a precisão de algumas destas técnicas depende de medições com outras técnicas mais comuns. Como de costume, estas novas ferramentas de deteção vão necessitar de trabalhos extensivos de calibração e validação para serem adotadas como práticas comuns em monitorização de campo. As observações com estas técnicas podem ser utilizadas para complementar observações de outras técnicas. Além disso, técnicas e equipamentos podem ser combinados; por exemplo, câmaras duplas com sensores óticos e infravermelhos para combinar observações; câmaras de infravermelhas acopladas a veículos aéreos não tripulados para combinar observações a diferentes escalas espaciais. Sem dúvida, as informações obtidas com estas técnicas podem ser úteis para calibrar e validar modelos numéricos de hidrologia de superfície, como escoamento superficial e erosão hídrica, bem como para entender melhor os processos subjacentes.

The harmful impacts of surface runoff and associated water erosion on the environment and populations have been widely recognized throughout the history. Understanding and modelling these processes is, therefore, of crucial importance for engineers, scientists and policy makers in the field of Hydraulics, Water Resources and Environment, in order to predict beforehand their impacts and develop proper protection and conservation policies and technologies. Attempts to understand and investigate such processes encompass laboratory experiments, field monitoring and numerical modelling. Each one of these approaches has its purpose, advantages and disadvantages. One thing they all have in common is the necessity of cost-effective techniques to obtain good quality hydrologic data. A recent technological boost in infrared thermography has drawn the attention of the scientific community to the development and investigation of innovative measurement techniques based on these systems. However, not all the potential of these systems has been exploited so far and investigation is still needed. The aim of this Thesis was to develop innovative techniques based on infrared thermography that can be used as sensing tools to assess different morphologic and hydraulic characteristics of the soil surface and flowing water, and investigate if the collected information can be useful to model and better understand surface hydrologic processes, namely surface runoff and water erosion. The research developed in this doctoral study started by the development of innovative techniques based on infrared thermography to assess the morphology of the soil surface (microrelief and rills) and soil surface hydraulic characteristics (permeability, macroporosity, water repellency). These techniques were firstly developed in laboratory controlled conditions, in scenarios where some more common measuring techniques cannot be applied successfully. A follow up study to investigate the applicability of these techniques to assess soil water repellency in real field conditions was then carried out. Afterwards, the research focused on the investigation of thermal tracers to estimate basic hydraulic characteristics of shallow flows. The thermal tracer technique was compared to other more tradicional tracer techniques, such as dye and salt. A numerical approach to handle data from thermal tracers as an alternative method to estimate the velocity of shallow flows was then explored. This was done by fitting an analytical solution of an advection–dispersion transport equation to temperature data from thermal tracers. Finally, a two-dimensional (2D) numerical model of surface runoff, infiltration and water erosion was developed. The model combines the two-dimensional unsteady water flow equations on an infiltrating surface with a two-dimensional sediment transport equation, distinguishing between rill erosion, interrill erosion and sediment deposition. Numerical simulations were validated with data from laboratory rainfall simulation experiments on a bi-directional soil flume. The research presented in this doctoral study revealed that infrared thermography can be used as a ground-based sensing tool for acquisition of information on soil surface characteristics and flow hydraulics. These techniques have shown great potential to: i) Estimate the spatial variability of soil surface morphology where other techniques cannot be applied (presence of organic residues concealing the soil surface); ii) Estimate the spatial variability of soil surface hydraulic characteristics in a faster and expedite way, instead of multiple time-consuming point measurements that need to be grouped or scaled to bring out spatial coherence; and iii) Estimate the surface flow velocity in the occurrence of very shallow flows where many measurement equipment cannot be used. One big advantage of these techniques is the possibility of qualitative real time monitoring of the spatial dynamics of some key processes in surface hydrology, using only one infrared camera. However, in quantitative terms, the precision of some of these techniques relies on measurements with other more common techniques. As usual, such novel sensing tools will require extensive calibration and validation to be routinely adopted in field monitoring practices. Observations from these techniques can be used to complement observations from other techniques. Also, techniques and equipment can be combined; e.g. dual cameras with optical and infrared sensors to combine both type of observations, infrared cameras couple with unmanned aerial vehicles to combine observations at different spatial scales. No doubt, the information collected with these techniques can be useful to calibrate and validate numerical models of surface hydrology, such as surface runoff and water erosion, as well as to better understand the underlying processes.