Método do Balanço Hídrico
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- Ágata Mascarenhas Ferrão
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1 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico Ioana Nicoleta Firta e Armando Borges de Castilhos Jr. Histórico do Método do Balanço Hídrico O método do balanço hídrico, um dos modelos mais utilizados atualmente em aterros sanitários para determinação dos volumes de lixiviados gerados, foi proposto por Fenn em 1975 e depois desenvolvido por Kmet em 1982 (Bendz et al., 1997). Esse método foi uma adaptação do balanço hídrico publicado pelo C. W. Thorntwaite em 1955, estudo conhecido sob a denominação de Teoria de Thornthwaite, aplicado no campo da conservação de solo e da água. Para o entendimento do balanço hídrico aplicado em aterros sanitários é necessário bom conhecimento dos conceitos básicos e da terminologia do método. O balanço hídrico, da forma como foi concebido, para o estudo do solo e da água, é baseado na relação existente entre a precipitação, a evapotranspiração, o escoamento superficial e o armazenamento da água no solo. A precipitação representa a recarga de água do sistema, enquanto a evapotranspiração representa a combinação entre a evaporação das plantas e a da superfície do solo, estando incluída a transpiração das plantas. Esse processo de evapotranspiração é praticamente o transporte da água de volta para a atmosfera, sendo o inverso do processo da precipitação. O escoamento superficial representa o fluxo superficial da água diretamente na área de interesse. A capacidade de armazenamento representa a quantidade de água que pode ficar retida no solo e nos resíduos sólidos nos casos dos aterros sanitários (Fenn et al., 1975). Muitos anos antes da teoria de Thornthwaite já se tinha noção sobre o ciclo hidrológico e sobre o balanço hídrico. Estudos mostram que, cerca de 600 anos a.c., o filosofo grego Tales de Mileto já citava os elementos físicos da natureza, terra, água, ar e fogo, e as correlações entre essas fases, consideradas essenciais para vida (Oraggio, 2003). Milênios antes de gregos, os chineses já haviam descoberto os cinco elementos considerados as forças da natureza, água, fogo, terra, madeira e o metal, e as relações entre os elementos que fundamentaram a teoria da filosofia e a medicina chinesa. Um esquema completo do ciclo hidrológico, com todos parâmetros, data de 1500 e foi realizado por Leonardo da Vinci.
2 258 Resíduos Sólidos Urbanos: Aterro Sustentável para Municípios de Pequeno Porte Aplicabilidade e Limitações do Método Método do balanço hídrico é um método complexo que se aplica nos casos em que há grande disponibilidade de dados de precipitação e evapotranspiração, medidos no local do aterro ou disponibilizados pela mais próxima estação metereológica. Para assegurar a confiabilidade dos dados, estes devem ser validados e comparados com dados provenientes das outras estações situadas na proximidade do local estudado. Os parâmetros metereológicos utilizados devem ser as médias aritméticas mensais. Algumas condições básicas para utilização do método são apresentadas a seguir (Neto et al., 1999): l l l l Cobertura do solo de 60 cm de espessura. Infiltração no aterro proveniente somente da precipitação incidente. Características hidráulicas do lixo e do material de cobertura uniforme. Movimento de água no aterro somente no sentido vertical. O presente método é centrado em torno da quantidade de água livre existente no solo. Até que a capacidade de campo do solo seja alcançada, a umidade do solo será vista como um balanço entre a água que entra como resultado das precipitações e a que sai sob forma de evapotranspiração. Como o próprio Fenn afirmava, o balanço hídrico é como uma conta bancária na qual as precipitações sempre são adicionadas e as evapotranspirações sempre são sacadas (Fenn et al., 1975). Os três fatores críticos que devem ser considerados no balanço hídrico são os conceitos do armazenamento de água no solo, evapotranspiração e escoamento superficial. Apesar de o método do balanço hídrico ser muito utilizado, a precisão e a sensibilidade desse método são muito pouco estudadas e dependem das condições locais de cada análise de aterro em escala experimental ou campo. Balanço Hídrico Método de Cálculo no Programa do Software SADES Para a determinação do volume de lixiviado, foi desenvolvido um algoritmo de cálculo do método de balanço hídrico, incluído no software do programa SADES Desenvolvimento de um Sistema de Apoio à Decisão para Seleção de Áreas Destinadas à Implantação de Aterros Sanitários e Dimensionamento de Aterros Sanitários. O software possibilita o cálculo do volume de lixiviado por dois métodos: l l Método suíço Método do balanço hídrico
3 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico 259 O cálculo do método é conduzido em uma planilha que centraliza todos os parâmetros envolvidos na equação geral do balanço hídrico. A planilha será atualizada somente no momento em que o usuário informar a área do aterro sanitário e a declividade. A tela para ativação da planilha é apresentada na Figura A3.1. Com as informações sobre o tipo de solo utilizado, a área do aterro estudado e a declividade, a planilha será ativada, como apresentado na Figura A3.2. Os dados de precipitação e evapotranspiração devem ser informados pelo usuário. O cálculo será feito mês a mês, durante um ano, utilizando as escolhas do usuário sobre o tipo de solo, declividade, área do aterro e estação seca ou úmida do ano, condições nas quais o cálculo será conduzido automaticamente. Figura A3.1 Tela inicial do método do balanço hídrico. Dando prosseguimento ao cálculo de dimensionamento da rede de drenagem, o método permite utilizar como volume de lixiviado aquele escolhido pelo usuário: o do mês que apresenta a mais desfavorável situação do ano. Apesar de o método em si ser bastante complicado, o programa oferece a possibilidade de calcular o volume de lixiviado de maneira rápida e bastante confiável.
4 260 Resíduos Sólidos Urbanos: Aterro Sustentável para Municípios de Pequeno Porte Figura A3.2 Planilha anual do método do balanço hídrico. Fluxogramas do Método do Balanço Hídrico Equação básica do método do balanço hídrico: Usuário informa dados de precipitação (mm) Usuário informa dados de evapotranspiração PER=P ES AAS ER
5 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico 261 em que: PER = volume de lixiviado, valores médios mensais; P = índice de precipitação pluviométrica, valores médios mensais; ES = escoamento superficial C = coeficiente de escoamento superficial; I = infiltração; AS = armazenamento de água no solo; AS c = armazenamento de água na camada de cobertura, representando a quantidade máxima de água armazenada no solo; AAS = troca de armazenamento de água no solo ER = evapotranspiração real. Fluxograma para cálculo da vazão mensal de lixiviado Qm = PER x Área aterro ( Ls / ) Calcular a altura mensal percolada PER (mm) Usuário informa área do aterro (m 2 ) PER = P ES AAS ER
6 262 Resíduos Sólidos Urbanos: Aterro Sustentável para Municípios de Pequeno Porte Fluxograma para cálculo de escoamento superficial (ES) Escoamento Superficial ES = C x P Coeficiente de escoamento superfícial C = x C Solo arenoso? C = 0.30 Solo argiloso Declividade 0a<2 Estação seca? Declividade 2a7 = 0.17 Estação seca = 0.34 = 0.34 Estação seca? Estação úmida = 0.50
7 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico 263 Fluxograma para cálculo de escoamento superficial (ES): solo argiloso (continuação) Solo argiloso C = 0.40 Declividade 0a<2? Estação seca? Declividade 2a7 = 0.33 Estação úmida Estação seca? = 0.43 = 0.45 Estação úmida = 0.55
8 264 Resíduos Sólidos Urbanos: Aterro Sustentável para Municípios de Pequeno Porte Fluxograma para cálculo da troca de armazenamento de água no solo (AAS) Troca de armazenamento de água no solo (AAS) Infiltração calculada pela fórmula: I=P ES Determinar (I EP) Calcular valor (I EP) Evapotranspiração potencial EP, valores informados pelo usuário (I EP)>0? Soma (NEG (I EP)) = 0 (I EP)<0 Cálculo do armazenamento de água no solo AS=ADxa AD água disponivel no solo a espessura da camada de cobertura considerada: a = 0,60 Calcular soma (NEG(I EP) = Valor negativo do (I EP) do mês atual + Valor negativo da NEG (I EP) do mês anterior B A
9 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico 265 Fluxograma para cálculo da troca de armazenamento de água no solo (AAS) (continuação) PARTE A A Solo arenoso Capacidade campo = 200 (mm H2O/m solo) Ponto murchamento = 50 (mm H2O/m solo) Água disponível (AD) = 150 (mm H2O/m solo) Espessura da camada solo (a) = 0,60 Solo siltoso Armazenamento água solo de cobertura AS C =ADxa AS =90mm C Capacidade campo = 300 (mm H2O/m Solo) Ponto murchamento = 100 (mm H2O/m Solo) Água disponivel (AD) = 200 (mm H2O/m Solo) Espessura da camada solo (a) = 0,60 Solo argiloso Armazenamento de água no solo AS =AS=90mm C Armazenamento água solo de cobertura AS C =ADxa AS = 120 mm C Capacidade campo = 375 (mm H2O/m solo) Ponto murchamento = 125 (mm H2O/m solo) Água disponível (AD) = 250 (mm H2O/m solo) Espessura da camada solo (a) = 0,60 Cálculo AAS AAS = AS AS n n 1 Armazenamento de água no solo AS = AS = 120 mm C Cálculo AAS AAS = AS AS n n 1 Armazenamento água solo de cobertura AS C =ADxa AS = 150 mm C Armazenamento de água no solo AS = AS = 150 mm C Cálculo AAS AAS = AS AS n n 1
10 266 Resíduos Sólidos Urbanos: Aterro Sustentável para Municípios de Pequeno Porte Fluxograma para cálculo da troca de armazenamento de água no solo (AAS) (continuação) PARTE B B Cálculo Armazenamento água no solo AS Solo arenoso AS=90mm Solo arenoso Tabela 3 solo arenoso Entrada: valor positivo Soma (Neg ( I EP)) Saída: valor AS < AS C AS = 120 mm Solo argiloso Cálculo AAS AAS=AS AS n n 1 Tabela 4 solo siltoso Entrada: valor positivo Soma (Neg ( I EP)) Saída: valor AS < AS C AS = 150 mm Cálculo AAS AAS = AS AS n n 1 Tabela 5 Solo Argiloso Entrada: valor positivo Soma (Neg ( I EP)) Saida: valor AS < AS C Cálculo AAS AAS = AS AS n n 1
11 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico 267 Fluxograma para cálculo da evapotranspiração real (ER) Cálculo da evapotranspiração: ER Cálculo da diferença: (I EP) (I EP) > 0? ER=EP (I EP)<0 ER = (EP + (I EP) AAS)
12 268 Resíduos Sólidos Urbanos: Aterro Sustentável para Municípios de Pequeno Porte Tabelas Utilizadas no cálculo do Método do Balanço Hídrico A seguir serão apresentadas as tabelas com os coeficientes e todos os índices utilizados na elaboração dos fluxogramas apresentados anteriormente. Tabela A3.1 Valores do coeficiente de escoamento superficial (C ). Tipo de solo Declividade (%) Coeficiente (α) Estação seca Estação úmida Arenoso 0 a C = a Argiloso 0 a C = 40 2 a Fonte: Rocca et al., Tabela A3.2 Umidade do solo (mm H 2 O/m de solo). Tipo de solo Capacidade campo Ponto murchamento Água disponível Arenoso Siltoso Argiloso Fonte: Rocca et al., Tabela A3.3 Armazenamento de água no solo (AS) em função da evapotranspiração potencial acumulada NEG (I EP). Solo arenoso (AS c = 90 mm) NEG (I EP)
13 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico 269 Tabela A3.3 Armazenamento de água no solo (AS) em função da evapotranspiração potencial acumulada NEG (I EP) (continuação). Solo arenoso (AS c = 90 mm) NEG (I EP)
14 270 Resíduos Sólidos Urbanos: Aterro Sustentável para Municípios de Pequeno Porte Tabela A3.3 Armazenamento de água no solo (AS) em função da evapotranspiração potencial acumulada NEG (I EP) (continuação). Solo arenoso (AS c = 90 mm) NEG (I EP) Fonte: Fenn et al., Tabela A3.4 Armazenamento de água no solo (AS) em função da evapotranspiração potencial acumulada NEG (I EP). Solo siltoso (AS c = 120 mm) NEG (I EP)
15 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico 271 Tabela A3.4 Armazenamento de água no solo (AS) em função da evapotranspiração potencial acumulada NEG (I EP) (continuação). Solo siltoso (AS c = 120 mm) NEG (I EP)
16 272 Resíduos Sólidos Urbanos: Aterro Sustentável para Municípios de Pequeno Porte Tabela A3.4 Armazenamento de água no solo (AS) em função da evapotranspiração potencial acumulada NEG (I EP) (continuação). Solo siltoso (AS c = 120 mm) NEG (I EP) Fonte: Fenn et al., 1975.
17 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico 273 Tabela A3.5 Armazenamento de água no solo (AS) em função da evapotranspiração potencial acumulada NEG (I EP). Solo argiloso ( AS c = 150 mm) NEG (I EP)
18 274 Resíduos Sólidos Urbanos: Aterro Sustentável para Municípios de Pequeno Porte Tabela A3.5 Armazenamento de água no solo (AS) em função da evapotranspiração potencial acumulada NEG (I EP) (continuação). Solo argiloso ( AS c = 150 mm) NEG (I EP)
19 Apêndice 3 Método do Balanço Hídrico 275 Tabela A3.5 Armazenamento de água no solo (AS) em função da evapotranspiração potencial acumulada NEG (I EP) (continuação). Fonte: Fenn et al., Solo argiloso ( AS c = 150 mm) NEG (I EP)
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