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Evaporação e Evapotranspiração

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Apresentação em tema: "Evaporação e Evapotranspiração"— Transcrição da apresentação:

1 Evaporação e Evapotranspiração
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 Tucci, 2003

4 Conceitos A interceptação é a retenção de parte da precipitação
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 Tucci, 2003

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. Tucci, 2003

6 Relação interceptação e total precipitado
Tucci, 2003

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. Tucci, 2003

8 Equação da continuidade
A equação da continuidade do sistema de interceptação pode ser descrita por Si = P ‑T ‑ C Onde Si = precipitação interceptada; P = precipitação; T = precipitação que atravessa a vegetação; C = parcela que escoa pelo tronco das árvores. Tucci, 2003

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 Tucci, 2003

10 Quantificação Cobertura Vegetal a b n Equações empíricas Si= a + b.Pn
Pomar 0,04 0,018 1,00 "Ash" 0,02 "beech" 0,18 Carvalho 0,05 "maple" arbustos 0,40 pinus 0,20 0,50 feijão, batata e outras pequenas culturas 0,02h 0,15h pasto 0,005h 0,08h forrageiras 0,01h 0,10h pequenos grãos 0,05h milho Equações empíricas Si= a + b.Pn a, b e n = parâmetros ajustados ao local e Si e P = precipitação, em polegadas. h = altura da planta (em pés) Tucci, 2003

11 Formulação em modelos hidrológicos
Cobertura Capacidade Máxima (mm) Campo, prado 2,50 Floresta ou mato 3,75 Floresta ou mato denso 5,00 Evaporação Precipitação Vmx V(t) Tucci, 2003

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 Tucci, 2003

13 Exemplo do armazenamento em escoamento superficial de pequenas bacias
Tucci, 2003

14 Impactos Antrópicos Classificação Tipo Mudança da superfície
desmatamento reflorestamento impermeabilização O uso da superfície Urbanização reflorestamento para exploração sistemática desmatamento : extração de madeira, cultura de subsistência; culturas anuais; culturas permanentes Método de alteração queimada manual equipamentos Tucci, 2003

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. Tucci, 2003

16 Desmatamento em São Paulo
Tucci, 2003

17 Impacto do desmatamento
Tucci, 2003 RO: Runoff: 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 Tucci, 2003

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 Tucci, 2003

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. Tucci, 2003

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. Tucci, 2003

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 Tucci, 2003

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 Tucci, 2003

24 Identificação na dupla massa
Tucci, 2003

25 Variação até três anos depois de desmatada
Várias flores tas do mundo Tucci, 2003

26 Cultura mantida após o desmatamento
Aumento da vazão média mm/ano Cultura anual Vegetação rasteira Plantações de chá, borracha, cacau Tucci, 2003

27 Alterações dos efeitos da precipitação com a 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; Tucci, 2003

28 43 Subterrânea Tucci, 2003

29 Tucci, 2003

30 Avaliação das alterações (vazão média)
Local Antes de1970 Aumento % Rio Parana em Jupiá 5,852 6,969 19,1 R. Paranapanema em Rosana 1,057 1,545 46,2 R. Paraná em São José 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 em Corrientes 15,265 19,510 27,8 Tucci, 2003

31 Vazões observadas em Guaíra, rio Paraná (1931 a 1990)
Tucci, 2003

32 Tucci, 2003

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 Tucci, 2003

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. Tucci, 2003

37 Infiltração e percolação
Precipitação Solo não saturado Solo saturado Lençol freático Tucci, 2003

38 Capacidade de Infiltração e Infiltração real
Capacidade de infiltração (Ic) é a infiltração que pode ocorrer caso haja precipitação (P) maior ou igual a esta taxa. Varia com a umidade do solo Infiltração real (Ir) : é a infiltração que realmente ocorre em cada intervalo de tempo. Quando P > Ic, Ir = Ic Quando P < Ic, Ir = P Tucci, 2003

39 EXEMPLO Tucci, 2003

40 Equação de Horton I t (h) Ii Ib I = Ib + (Ii-Ib).e-k.t Inclinação depende de k 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) Variação da taxa de infiltração 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 Tucci, 2003

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 Perdas de Água em Reservatórios Cálculo de Necessidades de Irrigação
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 água do solo, da vegetação e de superfície líquida Tucci, 2003

48 Radiação Tucci, 2003 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 Hi e Ho = energia de entrada e saída do sistema Tucci, 2003

49 Albedo O albedo de um objeto é a razão entre a quantidade
de radiação solar refletida pelo objeto e a quantidade total que ele recebe. Um objeto com um alto albedo é mais brilhante do que um objeto com um baixo albedo. Um objeto branco, completamente refletor, tem um albedo 1,0 enquanto que um objeto preto, sem refletividade,tem um albedo 0,0 (zero).

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

51

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, solo descoberto úmido, água interceptada da precipitação) Consome cerca de 585 calorias/g a 25 0C USP, 2003

56 Transpiração é a parte da evapotranspiração que vai para a atmosfera através das plantas (estômatos)
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 de Evaporação Padrão
Evaporatranspiração potencial (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. Tucci, 2003

59 Taxas de Evaporação Padrão
Evaporatranspiração real (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 Tucci, 2003

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 Tucci, 2003

61 Relações ETR= evapotranspiração depende da umidade do solo ETP ETR
Smx Tucci, 2003

62 Resultados de vários estudos mostrando a variação da ET relativa com a Umidade do Solo

63 Taxas de Evaporação Padrão
Evapotranspiração de Referência ETo: É a evapotranspiração de uma superfície extensa coberta com grama de altura uniforme, em crescimento ativo e cobrindo completamente a superfície do solo e sem restrição de umidade. Embrapa, 2005

64 USP, 2003

65 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. Tucci, 2003

66 Tanque Classe A USP, 2003

67 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

68

69 Atmômetro USP, 2003

70 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

71 Balanço de Massas ou Aerodinâmico
(1ª Lei de Dalton: relação entre evaporação e pressão de vapor) Ea = B. (eas - ea) USP, 2003

72 Balanço de Massas ou Aerodinâmico
Ea = Evaporação em m/s eas = pressão de saturação, em Pa ea = pressão de vapor, em Pa K = constante de von Karman (0.4) a = massa específica do ar u2 = velocidade do vento a 2 m do solo p = pressão atmosférica, em Pa w = massa específica da água ( 997 kg/m3) z0 = espessura da camada limite ( ~0.03 cm) USP, 2003

73 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*0.42 *1.19 *3) = 4.54*10-11 m/Pa.s 101.3*103 *997*ln(2/3*10-4) Pela curva de pressão de saturação de vapor => eas = 3167 Pa e ea = 0.4* eas = 1267 Pa Portanto : Ea = 8.62*10-8 m/s = 7.45 mm/dia USP, 2003

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

75 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 e Q em m³/s; A em km2, P em mm e V em 106 m3. Tucci, 2003

76 USP, 2003

77 Esquema de um Lisímetro
USP, 2003

78 Métodos de estimativa Baseados na temperatura : Thorntwaite- muito 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. Tucci, 2003

79

80 Fórmula de Blaney-Criddle
ETP = p*(0.46*t ) onde : 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

81 Fórmula de Blaney-Criddle

82

83 ANA, 2005

84 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= 1941 – 803 = 1137 mm O coeficiente de escoamento é a relação entre Q/P C = 803/1941 = 0,41 ou 41% da precipitação gera escoamento. Tucci, 2003

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

86 Método dos Coeficientes de Cultura (Kc)

87

88 Variabilidade Hidrológica
Relação entre variáveis hidrológicas (médias anuais): a vazão varia mais que a precipitação, que varia mais que a evapotranspiração Tucci, 2003

89 Variabilidade Hidrológica
Relação entre as variáveis: a vazão varia mais que a precipitação, que varia mais que a evapotranspiração Tucci, 2003


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