Universidade Tecnológica Federal do Paraná. CC54Z - Hidrologia. Evaporação e evapotranspiração. Prof. Fernando Andrade Curitiba, 2014

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1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná CC54Z - Hidrologia Evaporação e evapotranspiração Prof. Fernando Andrade Curitiba, 2014

2 Objetivos da aula Definir os conceitos básicos da evaporação e evapotranspiração Definir as variáveis meteorológicas que influenciam na evapotranspiração Calcular a evaporação em lagos e reservatórios Aprender a medição e cálculo de evaporação e de evapotranspiração 2

3 Conceitos fundamentais da evaporação e da evapotranspiração

4 Definições gerais Evaporação: processo pelo qual se transfere água do solo e das massas líquidas para a atmosfera. No caso da água no planeta Terra ela ocorre nos oceanos, lagos, rios e solo Transpiração: processo de evaporação que ocorre através da superfície das plantas. A taxa de transpiração é função dos estômatos, da profundidade radicular e do tipo de vegetação Evapotranspiração: processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera através da evaporação e da transpiração 4

5 Evaporação Evaporação ocorre quando o estado líquido da água é transformado de líquido para gasoso As moléculas de água estão em constante movimento, tanto no estado líquido como gasoso Na interface entre a água e atmosfera, algumas moléculas da água líquida tem energia suficiente para romper a barreira da superfície, entrando na atmosfera, enquanto algumas moléculas de água na forma de vapor do ar retornam ao líquido, fazendo o caminho inverso Quando a quantidade de moléculas que deixam a superfície é maior do que a que retorna está ocorrendo a evaporação 5

6 Balanço de energia e evaporação [2] Calor latente de evaporação, l (MJ/kg) l 2,501 0, Ts 6

7 Condições para ocorrer a evaporação A água líquida deve receber energia para prover o calor latente de evaporação. Esta energia pode ser recebida por radiação ou por convecção O ar acima da superfície líquida não deve estar saturado de vapor de água (pois se o ar estiver saturado será impossível a transformação de água líquida em vapor) 7

8 Variáveis meteorológicas As principais variáveis meteorológicas que influenciam a evaporação são: Temperatura Umidade do ar Radiação solar Velocidade do vento Tipo do solo, tipo da vegetação, tamanho do espelho de água, etc. 8

9 Temperatura Quanto maior a temperatura, maior é a concentração de saturação do vapor de água no ar. Isto é, maior é a capacidade do ar de receber vapor 9

10 Umidade do ar Umidade relativa: medida do conteúdo de vapor de água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar teria se estivesse saturado UR 100. w s onde w é a massa de vapor pela massa de ar e w s é a massa de vapor pela massa de ar no ponto de saturação w 10

11 Radiação solar A intensidade da evaporação depende da disponibilidade de energia fornecida pela radiação solar Regiões mais próximas ao Equador recebem maior radiação solar e apresentam maiores taxas de evapotranspiração Em dias de céu nublado a radiação solar é refletida pelas nuvens e não chega a superfície, reduzindo a energia disponível para a evapotranspiração [1,2,3] 11

12 Intensidade do vento O vento renova o ar em contato com a superfície que está evaporando (superfície da água, superfície do solo,superfície da folha da planta) Os ventos intensos possibilitam uma rápida transferência de vapor para regiões mais altas da atmosfera Desta forma a umidade próxima à superfície será menor, aumentando a taxa de evaporação 12

13 Medição e cálculo de evaporação e de evapotranspiração

14 Medição de evaporação A evaporação é medida de forma semelhante à precipitação e a infiltração, ou seja, utilizando unidades de comprimento para caracterizar a lâmina evaporada ao longo de um determinado intervalo de tempo (i.e., mm/h, mm/ano, etc.) A forma mais comum de medir a evaporação é mediante o uso de um Tanque Classe A 14

15 Tanque Classe A Tanque circular com diâmetro de cerca de 121 cm e profundidade de 25,5 cm. Construído em aço ou ferro galvanizado, 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 A medição de evaporação no Tanque Classe A é realizada diariamente numa régua, ou ponta linimétrica, instalada dentro do tanque 15

16 Tanque Classe A 16

17 Evaporação em lagos e reservatórios A criação de um reservatório cria uma grande superfície líquida que disponibiliza água para evaporação (aumenta o potencial de evaporação), que pode ser considerado como uma perda de água e de energia A evaporação da água de reservatórios pode ser significativa, ao ponto de modificar o rendimento de reservatórios para abastecimento, irrigação e geração de energia 17

18 Evaporação em lagos e reservatórios A evaporação da água em reservatórios pode ser estimada a partir de medições de Tanques Classe A É necessário aplicar um coeficiente de redução em relação às medições de tanque E lago E tan que onde F t é um fator de redução que varia de 0,6 a 0,8 18 F t

19 Sobradinho: um rio de água para a atmosfera O reservatório de Sobradinho no rio São Francisco possui uma área superficial de km 2, sendo o maior lago artificial do mundo, localizado numa das regiões mais secas do Brasil Em consequência disso, a evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m 3 /s, o que corresponde a cerca de 10% da vazão regularizada do rio São Francisco 19

20 Lago de Sobradinho 4

21 Exemplo 1 Um rio cuja vazão média é de 34 m 3 /s foi represado por uma barragem para geração de energia elétrica. A área superficial do lago criado é de 5000 ha. Medições de evaporação de um tanque classe A correspondem a 1500 mm por ano. Calcule a nova vazão média a jusante da barragem após a formação do lago. 21

22 Evapotranspiração Potencial: é a evaporação do solo somada a transpiração das plantas máxima que pode ser transferida para atmosfera (é obtida com base em condições climáticas idealizadas) Real: é a evaporação do solo somada a transpiração das plantas que ocorre de acordo com a disponibilidade hídrica existente e as características das plantas em uma dada região 22

23 Medição de evapotranspiração Lisímetro: tanques enterrados, abertos na parte superior, preenchidos com o solo e a vegetação características dos quais se deseja medir a evapotranspiração A evapotranspiração é calculada pelo balanço hídrico do lisímetro E=P-Q s -Q b -DV Os valores de precipitação (P), escoamento superficial e subterrâneo (Q s e Q b ) e o armazenamento de água (DV) são medidos diariamente 23

24 Lisímetro 24

25 Balanço hídrico A evapotranspiração também pode ser calculada considerando valores médios de escoamento e precipitação de um período muito longo P=Q+E Estimativas somente podem ser realizadas considerando o intervalo de tempo anual ou maior 25

26 Exemplo 2 Uma bacia de 10 km 2 recebe anualmente 1600 mm de chuva e a vazão média anual corresponde a 700 mm. Considerando solo impermeável, estime a evaporação anual em mm e m 3 /s usando o balanço. Calcule o coeficiente de escoamento dessa bacia. 26

27 Cálculo da evapotranspiração A evapotranspiração também pode ser calculada por uma série de equações disponíveis na literatura, baseadas em temperatura, radiação e umidade As equações são de natureza empírica e de base física (baseada em balanço de energia) As duas equações mais utilizadas são a equação de Thornthwaite e de Penman- Monteith 27

28 Equação de Thornthwaite E 10T I I j1 a T j a I I I onde E é a evapotranspiração mensal em mm, T é a temperatura média do mês de interesse em graus Celcius, a é um parâmetro que depende da região e I é um índice de temperatura em função da temperatura dos j meses 28

29 Exemplo 3 Calcule a evapotranspiração potencial mensal com a equação de Thornthwaite para o mês de agosto de 2006 em Porto Alegre onde as temperaturas médias mensais são dadas na tabela ao lado 29

30 Equação de Penman - Monteith E D R L G A c D 1 p r r s a e s e r a d 1 l W E [m.s l [M J.kg D R G L A W -1 [kpa. C [MJ.m [MJ.m [kg.m [kg.m ] é a taxa de evaporação da água ] é o calor latente de vaporização ] é a taxa de variação da pressãode saturação do vapor.s.s -1-1 ] é a radiação líquida na superfície ] é o fluxo de energia para o solo ] é a massa específica do ar ] é a massa específica da água C e e r r s s s a p -1 [M J.kg. C [kpa] é a pressãode saturação do vapor [kpa] é a pressãodo vapor [kpa. C [s.m -1 ] -1-1 ] é o calor específico do ar úmido ] é a constante psicrométrica ( 0,66) é a resistência superficial da -1 [s.m ] é a resistência aerodinâmi ca vegetação 30

31 Equação de Penman - Monteith U R é a umidade relativa do ar; P A é a pressão atmosférica (kpa); T é a temperatura do ar a 2 m da superfície ( o C) u m,10 é a velocidade do vento a 10m de altura z 0 é a rugosidade da superfície (1/10 da altura média da vegetação) 31

32 Referências bibliográficas [1] VILLELLA, S. M., MATTOS, A.. Hidrologia aplicada. São Paulo. Editora McGraw Hill do Brasil, 1975 [2] TUCCI, C. E. M.. Hidrologia: ciência e aplicação. Porto Alegre. Editora da Universidade, 4 ed [3] PINTO, N. et al.. Hidrologia básica. São Paulo. Editora Edgard Blucher, 1976