Interceptação Infiltração Evaporação e Evapotranspiração

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1 Interceptação Infiltração Evaporação e Evapotranspiração Por LUCIANO MENESES CARDOSO DA SILVA Engenheiro Civil Especialista em Recursos Hídricos da ANA Doutor em Desenvolvimento Sustentável (UnB - CDS) M.Sc. Recursos Hídricos (UFRGS - IPH) Especialista em Saneamento Ambiental (Universidade de Linköping - Suécia) Slides próprios e obtidos de Tucci, Porto, Ahy e Freitas.

2 Interceptação

3 Conteúdo 5.1Conceitos 5.2 Interceptação vegetal 5.3 Medições 5.4 Quantificação 5.5 Ações antrópicas sobre os sistemas hídricos 5.6 Interceptação das depressões

4 Conceitos A interceptação é a retenção de parte da precipitação acima da superfície do solo A interceptação pode ocorrer devido a vegetação ou outra forma de obstrução ao escoamento como a depressão do solo. O volume retido é perdido por evaporação; Este processo interfere no balanço hídrico da bacia hidrográfica, funcionando como um reservatório que armazena uma parcela da precipitação para consumo A tendência é de que a interceptação reduza a variação da vazão ao longo do ano, retarde e reduza o pico das cheias

5 Interceptação vegetal A interceptação vegetal depende de vários fatores: características da precipitação e condições climáticas, tipo e densidade da vegetação e período do ano. As características principais da precipitação são a intensidade, o volume precipitado e a chuva antecedente.

6 Relação interceptação e total precipitado

7 Características O tipo de vegetação caracteriza a quantidade de gotas que cada folha pode reter e a densidade da mesma indica o volume retido numa superfície de bacia As folhas geralmente interceptam a maior parte da precipitação, mas a disposição dos troncos contribui significativamente. Em regiões em que ocorre uma maior variação climática, ou seja em latitudes mais elevadas, a vegetação apresenta uma significativa variação da folhagem ao longo do ano, que interfere diretamente com a interceptação A época do ano também pode caracterizar alguns tipos de cultivos que apresentam as diferentes fases de crescimento e colheita.

8 Equação da continuidade A equação da continuidade do sistema de interceptação pode ser descrita por Onde Si = P -T - C Si = precipitação interceptada; P = precipitação; T = precipitação que atravessa a vegetação; C = parcela que escoa pelo tronco das árvores.

9 Medição das variáveis Precipitação: Postos em clareiras, topo das árvores Precipitação que atravessa as árvores: Esta precipitação é medida por drenagem especial colocada abaixo das árvores e distribuída de tal forma a obter uma representatividade espacial desta variável; utilizar cerca de dez vezes mais equipamentos para a medição da precipitação que atravessa a vegetação do que para a precipitação total. Escoamento pelos troncos: Esta variável apresenta uma parcela pequena do total precipitado (de 1 a 15% do total precipitado), e em muitos casos está dentro da faixa de erros de amostragem das outras variáveis A medição desta variável somente é viável para vegetação com tronco de magnitude razoável

10 Quantificação Equações empíricas Si= a + b.p n a, b e n = parâmetros ajustados ao local e Si e P = precipitação, em polegadas. Cobertura Vegetal a b n Pomar 0,04 0,018 1,00 "Ash" 0,02 0,018 1,00 "beech" 0,04 0,18 1,00 Carvalho 0,05 0,18 1,00 "maple" 0,04 0,18 1,00 arbustos 0,02 0,40 1,00 pinus 0,05 0,20 0,50 feijão, batata e outras pequenas culturas 0,02h 0,15h 1,00 pasto 0,005h 0,08h 1,00 forrageiras 0,01h 0,10h 1,00 pequenos grãos 0,005h 0,05h 1,00 milho 0,05h 0,005h 1,00 h = altura da planta (em pés)

11 Formulação em modelos hidrológicos Evaporação Precipitação Cobertura Capacidade Máxima (mm) V(t) Vmx Campo, prado 2,50 Floresta ou mato Floresta ou mato denso 3,75 5,00

12 Armazenamento em depressões existem obstruções naturais e artificiais ao escoamento, acumulando parte do volume precipitado depressões em áreas de inundação; o volume retido pelas depressões do solo após o início da precipitação Vd = Sd (1 - e -kpe ) onde Vd = volume retido; Sd = capacidade máxima; Pe = precipitação efetiva; k= coeficiente equivalente a 1/Sd

13 Exemplo do armazenamento em escoamento superficial de pequenas bacias

14 Impactos Antrópicos Classificação Mudança da superfície O uso da superfície Método de alteração Tipo 1. desmatamento 2. reflorestamento 3. impermeabilização 1. Urbanização 2. reflorestamento para exploração sistemática 3. desmatamento : extração de madeira, cultura de subsistência; culturas anuais; culturas permanentes 1. queimada 2. manual 3. equipamentos

15 Desmatamento O desmatamento é um termo geral para diferentes mudanças de cobertura; Os principais elementos do desmatamento são: o tipo de cobertura no qual a floresta é substituída e o procedimento utilizado para o desmatamento.

16 Desmatamento em São Paulo

17 Impacto do desmatamento RO: Run-off: escoamento superficial

18 Culturas permanentes As culturas permanentes são plantações que não sofrem alterações freqüentes na sua estrutura principal, como plantações de café, fruticultura, pasto, entre outros. Após o seu desenvolvimento, o balanço hídrico depende do comportamento da cultura e o balanço hídrico tende a se estabelecer num outro patamar

19 Culturas anuais As culturas anuais envolvem a mudança da cobertura anualmente ou sazonalmente com diferentes plantios Esse processo envolve a preparação do solo (aragem) em determinadas épocas do ano, resultando na falta de proteção do solo em épocas que podem ser chuvosas. O plantio sem nenhum cuidado com a conservação do solo tende a aumentar consideravelmente a erosão, com grande aumento no escoamento com relação as condições prévias de floresta

20 Práticas de plantio Conservacionista, que utiliza o terraceamento, que acompanha as curvas de nível, para direcionar o escoamento e evitar a erosão e o dano as culturas; O plantio direto tem sido incentivado. Esse tipo de plantio não revolve a terra e, é realizado diretamente sobre o que restou do plantio anterior A tendência é de que praticamente toda a água se infiltre, e o escoamento ocorre predominantemente na camada sub-superficial (depende das características de relevo) até chegar ao sistema de drenagem natural.

21 Método de desmatamento Lal (1981) mostrou que o aumento do escoamento superficial, utilizando desmatamento manual, uso de tratores de arraste e tratores com lâminas para arado são, respectivamente, 1%, 6,5% e 12% da precipitação.

22 Métodos de avaliação Estudos de correlação: análise de correlação entre bacias de diferentes características de clima, cobertura, solo e morfologia; Estudos de uma única bacia: para uma bacia experimental busca-se estabelecer as condições prévias da relação entre a climatologia e o comportamento da bacia; Estudos experimentais com pares de bacias: Selecionando duas bacias de características similares. Uma é submetida a alteração do uso do solo, denominada de experimental, e outra é mantida preservada denominada de bacia de controle

23 Alterações dos efeitos da precipitação com o desmatamento Maiores flutuações da temperatura e déficit de tensão de vapor das superfícies das áreas desmatadas; O volume evaporado é menor devido a redução da interceptação vegetal pela retirada da vegetação das árvores; Menor variabilidade da umidade das camadas profundas do solo, já que a floresta pode retirar umidade de profundidades superiores a 3 m, enquanto que a vegetação rasteira como pasto age sobre profundidades de cerca de 20 cm. Menor recarga das águas subterrâneas

24 Identificação na dupla massa

25 Variação até três anos depois de desmatada Várias flores tas do mundo

26 Cultura mantida após o desmatamento Aumento da vazão média mm/ano Cultura anual Vegetação rasteira Plantações de chá, borracha, cacau

27 Urbanização Aumento das vazões médias de cheia (em até 7 vezes, Leopold,1968) devido ao aumento da capacidade de escoamento através de condutos e canais e impermeabilização das superfícies (selamento); Aumento da produção de sedimentos devido à desproteção das superfícies e à produção de resíduos sólidos (lixo); Deterioração da qualidade da água superficial e subterrânea, devido à lavagem das ruas, ao transporte de material sólido, às ligações clandestinas de esgoto cloacal e pluvial, e à contaminação direta de aqüíferos;

28 43 Subterrânea

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30 Avaliação das alterações (vazão média) Local Antes de Aumento % Rio Parana em Jupiá 5,852 6,969 19,1 R. Paranapanema em Rosana 1,057 1,545 46,2 R. Paraná emsãojosé 6,900 8,520 23,3 R. Paraná em Guaira 8,620 11,560 34,1 R. Paraná em Posadas 11,600 14,255 22,9 R. Paraná emcorrientes 15,265 19,510 27,8

31 Vazões observadas em Guaíra, rio Paraná (1931 a 1990)

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33 Infiltração

34 Conceitos Infiltração: é a penetração da água no solo Taxa de Infiltração: é a velocidade ou intensidade da penetração da água no solo (mm/hora, mm/dia etc) Infiltração acumulada: é a quantidade de água total infiltrada após um determinado tempo (mm) USP, 2003

35 Conteúdo 5.1Infiltração 5.2 Capacidade e Taxa de Infiltração 5.3 Formulações 5.4 Método de Horton 5.5 Método de Green e Ampt 5.6 Noções de armazenamento da água no solo

36 Infiltração Infiltração é a passagem de água da superfície para o interior do solo. Portanto, é um processo que depende, fundamentalmente: da água disponível para infiltrar da natureza do solo do estado da sua superfície da topografia das quantidades de água e ar, inicialmente presentes no seu interior.

37 Infiltração e percolação Precipitação Solo não saturado Solo saturado Lençol freático

38 Capacidade de Infiltração e Infiltração real Capacidade de infiltração (Ic) é a infiltração que pode ocorrer caso haja precipitação (P) maior ou igualaestataxa. Variacomaumidadedosolo Infiltração real (Ir) : é a infiltração que realmente ocorre em cada intervalo de tempo. QuandoP>Ic, Ir=Ic QuandoP<Ic, Ir=P

39 EXEMPLO

40 Equação de Horton A equação de Horton foi desenvolvida com base no seguinte: (a) equação empírica, estabelecida com base no ajuste da observação dos valores medidos; (b) admite que a Infiltração é menor que a precipitação Algoritmo de Berthelot elimina o problema do item b Ii Ib I Variação da taxa de infiltração Inclinação depende de k I = Ib + (Ii-Ib).e -k.t t (h) Ib: taxa de infiltração de base (mm/h) Ib = condutividade hidráulica (K) Ii: taxa de infiltração inicial (mm/h) k: parâmetro (1/h) t: tempo (h)

41 USP, 2003

42 Infiltração acumulada USP, 2003

43 I = Ib + (Io-Ib).e -kt USP, 2003

44 I = Ib + (Io-Ib).e -kt Chuva infiltrada Chuva excedente f = taxa de infiltração final; fc = taxa de infiltração inicial; fo = taxa de infiltração mínima (assintótica) < K(cond. Hidráulica) USP, 2003

45 Evaporação e Evapotranspiração

46 Importância do Estudo Perdas de Água em Reservatórios Cálculo de Necessidades de Irrigação Balanço hídrico em bacias USP, 2003

47 Conceitos A evaporação e a evapotranspiração ocorrem quando a água líquida é convertida para vapor de água e transferida, neste estado, para a atmosfera O processo somente poderá ocorrer naturalmente se houver ingresso de energia no sistema, proveniente do sol, da atmosfera, ou de ambos e, será controlado pela taxa de energia, na forma de vapor de água que se propaga da superfície da Terra Evaporação = transferência de superfície líquida Evapotranspiração = transferência de solo, vegetação e superfície líquida

48 Radiação Balanço de energia qr = energia de onda curta efetiva qbl = energia de onda longa transmita para a atmosfera qal = energia de onda longa que retorna para o solo qc = convecção qe = evaporação Hs = qr Hi e Ho = energia de entrada e saída do sistema + q al q bl q c q e + Hi Ho

49 Albedo Oalbedodeumobjetoéarazãoentreaquantidade de radiação solar refletida pelo objeto eaquantidadetotalqueelerecebe. Umobjetocomumaltoalbedoémaisbrilhante doqueumobjetocomumbaixoalbedo. Um objeto branco, completamente refletor, temumalbedo1,0enquantoqueum objeto preto, sem refletividade,tem um albedo 0,0(zero).

50 Movimento da molécula de água entre as superfícies de água e o ar Vapor de água Condensação Vaporização Água líquida USP, 2003

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52 Curva de pressão de Vapor da Água USP, 2003

53 Movimento da molécula de água entre as superfícies de água e o ar Quando as taxas de condensação e vaporização se igualam não há evaporação : diz-se que o ar está saturado. USP, 2003

54 USP, 2003

55 Evaporação é a transformação da água do estado líquido para vapor, a partir de uma superfície líquida (lago,solodescobertoúmido,água interceptadadaprecipitação) Consome cerca de 585 calorias/g a 25 0 C USP, 2003

56 Transpiração é a parte da evapotranspiração que vai para aatmosferaatravésdasplantas USP, 2003

57 As taxas de evaporação e transpiração (evapotranspiração) são dadas em unidades de altura divididas por unidade de tempo : mm/dia,mm/mês... USP, 2003

58 Taxas Padrão Evaporatranspiração potencial(etp) (ETP): é a evaporação do solo e a transpiração das plantas máxima que pode ser transferida para atmosfera. Com base nas condições climáticas e características das plantas é possível estimar a EVT potencial Representa quanto é possível retirar de água do ambiente, em dado tempo.

59 Taxas Padrão Evaporatranspiração real(etr) (ETR): é a o total transferido para a atmosfera de acordo com a disponibilidade hídrica existente (umidade do solo) e a resistência das plantas. A evapotranspiração real é igual ou menor que a evapotranspiração potencial ETR<=ETP

60 Taxas de Evaporação Padrão Evapotranspiração real: Difícil obtenção. Demanda longo tempo de observação e custa caro Evapotranspiração potencial: Obtida a partir de modelos baseados em leis físicas e relações empíricas de forma rápida e suficientemente precisa Há várias teorias que relacionam ambas em função da disponibilidade de água do solo (umidade). Nenhuma aceita universalmente

61 Relações EVTr= evapotranspiração depende da umidade do solo EVTp EVTr Umidade do solo Smx

62 1.0 VEIHMEYER E HENDRICKSON MUSTONEN E Mc GUINNESS ETr = EVAPOTRANSPIRAÇÃO RELATIVA ETp MINHAS ET AL. PIERCE HOLMES E ROBERTSON THORNTWAITE E MATTHER P. MURCHA C.CAMPO UMIDADE DO SOLO (%) Resultados de vários estudos mostrando a variação da ET relativa com a Umidade do Solo

63 USP, 2003

64 Medidas : Tanque classe A O mais usado em nível mundial é o tanque classe A, que tem forma circular com um diâmetro de 121 cm e profundidade de 25,5 cm. Construído em aço ou ferro galvanizado, deve ser pintado na cor alumínio e instalado numa plataforma de madeira a 15 cm da superfície do solo Deve permanecer com água variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior. O fator que relaciona a evaporação de um reservatório e do tanque classe A oscila entre 0,6 e 0,8, sendo 0,7 o valor mais utilizado.

65 Tanque Classe A USP, 2003

66 Método do Tanque Evaporimétrico Correlaciona a evapotranspiração potencial (ETP) com a evaporação medida no tanque (E) ETP = Kp * E Kp = coeficiente do tanque, depende do tipo de tanque e de outros parâmetros meteorológicos (valor mais comum: Kp = 0,7) USP, 2003

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68 Atmômetro USP, 2003

69 Fórmulas de Cálculo (Métodos Indiretos) 1- Balanço de Massas ou Aerodinâmico (Lei de Dalton) 2- Balanço hídrico (reservatórios) 3- Balanço de energia (radiação solar) 4- Fórmula de Penman (baseado em 1 e 3) 5- Fórmulas Empíricas Fórmula de Thornthwaite (baseado em temperatura) Fórmula de Blaney Criddle (baseado em temperatura) Fórmula de Jasen e Haise (baseado em radiação) Etc. USP, 2003

70 Balanço de Massas ou Aerodinâmico (1ª Lei de Dalton: relação entre evaporação e pressão de vapor) E a = B. (e as -e a ) B = 0.622* K p* ρ w 2 * *[ln( z ρ 2 * / a z * u 0 )] 2 2 USP, 2003

71 Balanço de Massas ou Aerodinâmico E a = Evaporação em m/s e as = pressão de saturação, em Pa e a = pressão de vapor, em Pa K = constante de von Karman (0.4) ρ a = massa específica do ar u 2 = velocidade do vento a 2 m do solo p = pressão atmosférica, em Pa ρ w = massa específica da água ( 997 kg/m 3 ) z 0 = espessura da camada limite ( ~0.03 cm) USP, 2003

72 Balanço de Massas ou Aerodinâmico Exemplo : temperatura do ar = 25º C umidade relativa do ar = 40 % pressão atmosférica = kpa velocidade do vento a 2m do solo = 3m/s B = (0.622*0.4 2 *1.19 *3) = 4.54*10-11 m/pa.s 101.3*10 3 *997*ln(2/3*10-4 ) Pela curva de pressão de saturação de vapor => e as = 3167 Pa e e a = 0.4* e as = 1267 Pa Portanto : E a = 8.62*10-8 m/s = 7.45 mm/dia USP, 2003

73 Equação do balanço hídrico dv/dt = I - Q - Eo.A + P.A Variação de volume entrada saída evaporação precipitação USP, 2003

74 Cálculo da Evaporação em lagos dv/dt = I - Q - Eo.A + P.A Eo = (I - Q)/A + P - (dv/dt)/a Em unidades adequadas, Eo (mm/mês) = ( I - Q )/A + P (dv/dt)/a Para I, Q em m³/s; A em km 2, P em mm e V em 10 6 m 3.

75 USP, 2003

76 Esquema de um Lisímetro USP, 2003

77 Métodos de estimativa Baseados na temperatura : Thorntwaitemuito limitado e tende a subestimar a evapotranspiração; Blaney-Criddle: utilizado para irrigação e considera o tipo de cultura Radiação ou combinado (Método Penman): utiliza dados climáticos como temperatura, radiação solar, insolação, umidade do solo e velocidade do vento.

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79 Fórmula de Blaney-Criddle onde : ETP = p*(0.46*t ) ETP = Evapotranspiração potencial, em mm/mês p = porcentagem mensal de horas de insolação em relação ao total anual (em %). Tabelado em função da latitude e do mês do ano t = temperatura média mensal do ar, em º C USP, 2003

80 Fórmula de Blaney-Criddle

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82 ANA, 2005

83 Balanço hídrico (por bacia) Método de estimativa simples com base nos dados precipitação e vazão de uma bacia. A equação da continuidade S(t+1)=S(t) + (P E - Q)dt Desprezando a diferença entre S(t+1) S(t) Q= P- E Simplificação aceita para dt longos como o um ano ou seqüência de anos. Exemplo: Uma bacia (Rio Passo Fundo) com Precipitação média 1941 mm e Vazão de 803 mm (valores médios de 10 anos). A evaporação real é E= = 1137 mm O coeficiente de escoamento é a relação entre Q/P C = 803/1941 = 0,41 ou 41% da precipitação gera escoamento.

84 Método dos Coeficientes de Cultura (Kc) USP, 2003

85 Método dos Coeficientes de Cultura (Kc) Kc

86 Cultura inicial vegetativo produção m aturação Abóbora-seca Abobrinha Alface Alho Batata Batata-doce Berinjela Beterraba Brócolos Cebola C enoura Couve-flor Ervilha-seca Ervilha-verde Feijão-vagem G rão-de-bico Lentilha M andioquinha-salsa M elancia M elão M ilho-doce M orango Pepino Pim então R epolho T om ate indústria T om ate de m esa

87 Variabilidade Hidrológica Relação entre variáveis hidrológicas (médias anuais): a vazão varia mais que a precipitação, que varia mais que a evapotranspiração 2 1,6 P Q E anomalias 1,2 0,8 0, anos

88 Variabilidade Hidrológica Relação entre as variáveis: a vazão varia mais que a precipitação, que varia mais que a evapotranspiração 2,5 2 precipitação vazão adimensionais 1,5 1 0, anos