Validação das Águas Subterrâneas e da Recarga

A seção de águas subterrâneas da suíte de validação testa tanto a contabilidade local das águas subterrâneas quanto a dinâmica lateral. A principal mudança de implementação é o agendador assíncrono. A drenagem vadosa, a produção de recarga e a ascensão capilar são avaliadas a cada passo do modelo de superfície, enquanto o armazenamento saturado e as cargas laterais só são atualizados quando o agendador das águas subterrâneas dispara uma atualização.

O que foi testado

Quatro casos de águas subterrâneas na bacia em V foram usados para avaliar o armazenamento local e o comportamento do agendador.

• VAL-GW-ASYNC-001: elevação do lençol freático sob recarga constante;
• VAL-GW-ASYNC-002: equivalência do agendador assíncrono;
• VAL-GW-CAP-001: rebaixamento por ascensão capilar;
• VAL-GW-MOUND-001: domo de recarga de Boussinesq contra uma referência numérica com passo de tempo fino.

Dois casos adicionais de encosta reforçam a evidência sobre o fluxo lateral das águas subterrâneas.

• VAL-GW-HILL-STEADY-001: perfil de Dupuit em regime permanente;
• VAL-GW-HILL-TRANSIENT-001: decaimento transiente de Boussinesq linearizado.

Recarga local e comportamento do agendador

Referência e método

O caso de recarga local usa a relação analítica de armazenamento Δh = RΔt / S_y, com o fluxo lateral das águas subterrâneas e a exfiltração desativados. O caso de equivalência do agendador compara a atualização legada das águas subterrâneas a cada passo com o agendador assíncrono por acumulação. O caso de ascensão capilar aplica um fluxo ascendente simples, limitado fisicamente, das águas subterrâneas rasas para o armazenamento vadoso seco. O caso do domo de recarga ativa o fluxo lateral e compara o resultado assíncrono com uma referência numérica interna de passo de tempo fino.

Resultado principal

Os quatro casos locais de águas subterrâneas passaram.

Caso	Regime	RMSE da carga (m)	Erro máximo de carga (m)	Erro de armazenamento (%)	Resíduo (m³)
VAL-GW-ASYNC-001	Recarga local	0.0	0.0	0.0	1.96 × 10^-11
VAL-GW-ASYNC-002	Equivalência do agendador	1.71 × 10^-13	1.71 × 10^-13	1.67 × 10^-11	1.84 × 10^-10
VAL-GW-CAP-001	Ascensão capilar	0.0	0.0	0.0	-1.45 × 10^-12
VAL-GW-MOUND-001	Domo de Boussinesq	1.83 × 10^-8	9.90 × 10^-8	5.23 × 10^-13	3.09 × 10^-11

Diagnósticos do agendador de recarga. O primeiro caso verifica a elevação analítica do lençol freático sob recarga constante. O segundo compara o agendador assíncrono com a atualização legada das águas subterrâneas a cada passo.

Diagnósticos de ascensão capilar e de fluxo lateral. O caso do domo é uma evidência útil com referência numérica, mas continua mais fraco que um benchmark analítico.

A acumulação da recarga, a atualização assíncrona das águas subterrâneas e o fechamento simples de ascensão capilar se comportaram como esperado em condições controladas.

Benchmarks analíticos de encosta

Referência e método

O caso de encosta em regime permanente compara o HydroPol2D com o perfil de Dupuit em forma fechada, sob recarga uniforme e carga fixa no dreno. O caso transiente compara o solver de Boussinesq do HydroPol2D com o primeiro modo próprio da equação de Boussinesq linearizada, no regime de pequenas perturbações.

Resultado principal

Os dois casos analíticos de encosta passaram.

Caso	Benchmark	RMSE da carga (m)	Erro máximo de carga (m)	Métrica de vazão
VAL-GW-HILL-STEADY-001	Dupuit em regime permanente	6.04 × 10^-3	9.75 × 10^-3	Erro na vazão do dreno = 3.74 × 10^-4 %
VAL-GW-HILL-TRANSIENT-001	Boussinesq linearizado	1.94 × 10^-5	4.46 × 10^-5	NSE = 0.99985

Benchmark de Dupuit em regime permanente. O painel inferior mostra o erro absoluto do perfil em relação à solução analítica.

Benchmark transiente de encosta. O painel superior compara os perfis de carga durante o decaimento da perturbação. O painel inferior compara o fluxo no pé da encosta, por unidade de largura, modelado e analítico.

Subsuperfície em camadas

A subsuperfície em camadas foi incluída em outubro de 2026. A evidência reúne testes unitários em Python das regras da coluna, paridade entre Python e MATLAB, simulações do modelo completo na bacia em V em MATLAB e um experimento gêmeo de calibração.

Testes de coluna em Python

O HydroPol2D-Python testa diretamente a coluna em camadas, o estresse de Feddes e o estado inicial do aquífero profundo (tests/test_subsurface_column.py, test_subsurface_geometry.py, test_subsurface_lateral.py, test_subsurface_mesh.py, test_subsurface_run.py, test_feddes.py, test_deep_aquifer_initial_state.py).

Dois testes numéricos têm o maior peso.

Teste	Caso	Resultado
Fluxo implícito vs. explícito	Areia, $\theta = 0.41$, lençol a 30 cm de profundidade (faixa quase saturada), passos de 1 h contra uma simulação com passos de 1 s	Implícito: o lençol fica a menos de 2 mm da simulação de 1 s. Explícito: drena cerca de 20 vezes mais água que o devido.
Regra de reposição capilar	Vale gêmeo, só a coluna e modelo completo	Água circulando entre o solo e o lençol, 9.3 × 10⁻³ → 0 m³/s; células que trocam de sinal a cada passo, 38 → 0; ascensão capilar bruta, 0.016 → 0 m³/s; vazão do rio inalterada

Um teste adicional verifica que a ascensão capilar para na capacidade de campo.

Paridade Python-MATLAB

A versão em MATLAB é verificada contra fixtures exportados do HydroPol2D-Python (Validation/Groundwater/Layered no repositório MATLAB). Desde 2026-10-20, os dois modelos têm o fluxo implícito no lençol freático. Os fixtures dos kernels trazem as saídas implícitas e explícitas, e os fixtures do passo usam o padrão do modelo (implícito). O MATLAB calcula as derivadas implícitas por diferenças centrais e o Python por jax.jvp, e por isso as verificações do fluxo implícito usam uma tolerância de $10^{-8}$.

Script	O que verifica	Resultado registrado (2026-10-20)
run_layered_kernel_parity.m	Todos os kernels da coluna: geometria, atualização do lençol pelo MMF, drenagem, fluxo de Darcy (explícito e implícito), Feddes, bisseção do lençol compartilhado e avanço lateral	211 verificações, pior caso $2.6 \times 10^{-9}$
run_layered_step_parity.m	O passo vertical completo em camadas em uma grade em V de 2 × 2, com 4 cenários e 312 passos	3 120 verificações, pior caso $4.9 \times 10^{-11}$
run_layered_vtilted_case.m	Simulações do modelo completo na bacia em V: local, lateral, feddes, legacy, deep, deep_legacy, deep_empty e, desde 2026-10-20, no_dtb (fundo da coluna a partir da tabela de solos), explicit_flux e soil_rasters	Executado a partir de uma cópia de Examples/VTilted_Excel; erro de volume do caso lateral de $-1.7 \times 10^{-10}$ m³
run_feddes_legacy_consistency.m	O Feddes na ET padrão de três camadas é igual à ET de Feddes em camadas para o mesmo estado; o Feddes nunca retira mais que a regra sem estresse	verificação de consistência
run_layered_mesh_case.m	Malha Voronoi de 20 m na bacia em V com 2 HRUs: padrão, em camadas, em camadas + Feddes	todo passo fecha a massa dentro de $10^{-8}$ do volume de chuva

run_deep_aquifer_initial_state_validation.m verifica o estado inicial profundo $S_0 = q_0 A \tau$ contra um fixture compartilhado com o HydroPol2D-Python. Validation/Groundwater/run_groundwater_release_checks.m roda todos esses scripts. Em 2026-10-20, 17 de 17 passaram.

Experimento gêmeo de calibração

Um experimento gêmeo recuperou multiplicadores conhecidos da condutividade do solo e do regolito a partir de uma recessão sintética de 30 dias, com 0, 5 e 10 % de ruído. Com a regra de reposição capilar, a verdade foi o único par aceitável em todos os níveis de ruído. A configuração, os resultados e os limites estão na página Calibração por Recessão das Águas Subterrâneas.

O que a evidência em camadas não cobre

• Não há caso de campo. Os testes usam domínios sintéticos em V.
• Os problemas em aberto listados em Limites Conhecidos, como o fluxo lateral de água suspensa e a ausência de franja capilar, não são resolvidos por esses testes.

O que esta validação sustenta

Em conjunto, esses casos sustentam a acumulação de recarga implementada, o agendador assíncrono, a elevação e o rebaixamento locais do lençol freático por meio de S_y, a ascensão capilar simples em camadas e a dinâmica lateral idealizada das águas subterrâneas em encostas.

Os testes da subsuperfície em camadas sustentam a implementação da coluna de solo sobre regolito e a concordância entre Python e MATLAB em casos controlados.

Eles não validam parâmetros regionais de aquíferos, escoamento de base em campo, bombeamento de águas subterrâneas, comportamento de aquíferos confinados nem calibração com poços observados.