Evaporação e Evapotranspiração

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1 Evaporação e Evapotranspiração
HIDROLOGIA FÍSICA Evaporação e Evapotranspiração Benedito C. Silva

2 Conceito Geral Evaporação (E) – 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 (T) – 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.

3 Definições Processo de Transpiração no Sistema Solo Planta Atmosfera.
A transpiração ocorre desde as raízes até as folhas, pelo sistema condutor, pelo estabelecimento de um gradiente de potencial desde o solo até o ar. Quanto mais seco estiver o ar (menor Umidade Relativa), maior será esse gradiente.

4 Definições Evapotranspiração (ET) – Processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera através da evaporação (E) e da transpiração (T) ET = E + T

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. 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.

6 Energia e evaporação A quantidade de energia que uma molécula de água líquida precisa para romper a superfície e evaporar é chamada calor latente de evaporação. em MJ.kg-1 Ts é temperatura da superfície Portanto o processo de evaporação exige um fornecimento de energia, que, na natureza, é provido pela radiação solar.

7 Condições que favorecem a evaporação
que a água líquida esteja recebendo energia para prover o calor latente de evaporação esta energia (calor) pode ser recebida por radiação ou por convecção (transferência de calor do ar para a água) que o ar acima da superfície líquida não esteja saturado de vapor de água. Se o ar for continuamente renovado, pelo vento, por exemplo, ou pela turbulência

8 Fatores que afetam Umidade do ar Temperatura do ar Velocidade do vento
Radiação solar Tipo de solo Vegetação (transpiração)

9 Temperatura Quanto maior a temperatura, maior a pressão de saturação do vapor de água no ar, isto é, maior a capacidade do ar de receber vapor. Para cada 10oC, P0 é duplicada. Temp. oC 10 20 30 P0 (atm) 0,0062 0,0125 0,0238 0,0431

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 Ar com umidade relativa de 100% está saturado de vapor, e ar com umidade relativa de 0% está completamente isento de vapor onde UR é a umidade relativa; w é a massa de vapor pela massa de ar e ws é a massa de vapor por massa de ar no ponto de saturação.

11 Umidade do ar Umidade do Ar
A umidade relativa também pode ser expressa em termos de pressão parcial de vapor. De acordo com a lei de Dalton cada gás que compõe um a mistura exerce uma pressão parcial, independente da pressão dos outros gases, igual à pressão que se fosse o único gás a ocupar o volume. No ponto de saturação a pressão parcial do vapor corresponde à pressão de saturação do vapor no ar, e a equação anterior pode ser reescrita como: onde UR é a umidade relativa; e é a pressão parcial de vapor no ar e es é pressão de saturação.

12 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). Com vento forte a turbulência é maior e a transferência para regiões mais altas da atmosfera é mais rápida, e a umidade próxima à superfície é menor, aumentando a taxa de evaporação. muito vento pouco vento

13 Radiação Solar A quantidade de energia solar que atinge a Terra no topo da atmosfera está na faixa das ondas curtas. Na atmosfera e na superfície terrestre a radiação solar é refletida e sofre transformações. Parte da energia incidente é refletida pelo ar e pelas nuvens (26%) e parte é absorvida pela poeira, pelo ar e pelas nuvens (19%). Parte da energia que chega a superfícies é refletida de volta para o espaço ainda sob a forma de ondas curtas (4% do total de energia incidente no topo da atmosfera).

14 Radiação Solar A energia absorvida pela terra e pelos oceanos contribui para o aquecimento destas superfícies que emitem radiação de ondas longas. Além disso, o aquecimento das superfícies contribuem para o aquecimento do ar que está em contato, gerando o fluxo de calor sensível (ar quente), e o fluxo de calor latente (evaporação). Finalmente, a energia absorvida pelo ar, pelas nuvens e a energia dos fluxos de calor latente e sensível retorna ao espaço na forma de radiação de onda longa, fechando o balanço de energia.

15 Radiação Solar

16 Radiação solar O processo de fluxo de calor latente é onde ocorre a evaporação A intensidade desta evaporação depende da disponibilidade de energia. Regiões mais próximas ao Equador recebem maior radiação solar, e apresentam maiores taxas de evapotranspiração Da mesma forma, em dias de céu nublado, a radiação solar é refletida pelas nuvens, e nem chega a superfície, reduzindo a energia disponível para a evapotranspiração.

17 Outros fatores Tipos de Solos: para evaporação direta do solo
Vegetação: diferentes vegetações podem exercer mais ou menos controle sobre a transpiração Tamanho do reservatório, ou lago O que existe em volta: efeito oásis

18 Solos Solos arenosos úmidos tem evaporação maior do que solos argilosos úmidos.

19 Medição de evaporação Tanque classe A Evaporímetro de Piché

20 Tanque classe A . O mais usado 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.

21 Tanque Classe A

22 Tanque Classe A

23 Tanque Classe A Fonte : Sabesp

24 Medindo a evaporação Tanque classe A

25 Tanque Classe A manutenção da água entre as profundidades
recomendadas  evita erros de até 15% a água deve ser renovada  turbidez  evita erros de até 5% as paredes sofrem com a influência da radiação e da transferência de calor sensível  superestimação da evaporação próximos a cultivos de elevada estatura  subestimação da evaporação

26 Evaporação Porto Alegre x Cuiabá

27 Evaporímetro de Piché O evaporímetro de Piche é constituído por um tubo cilíndrico, de vidro, de aproximadamente 30 cm de comprimento e um centímetro de diâmetro, fechado na parte superior e aberto na inferior. A extremidade inferior é tapada, depois do tubo estar cheio com água destilada, com um disco de papel de feltro, de 3 cm de diâmetro, que deve ser previamente molhado com água. Este disco é fixo depois com uma mola. A seguir, o tubo é preso por intermédio de uma argola a um gancho situado no interior do abrigo.

28 Evaporímetro de Piché

29 Comentários Piché é pouco confiável

30 Cálculo da evaporação Equações de evaporação Balanço Hídrico

31 Equações empíricas São Equações do tipo:
Onde: K = constante; f(w) = função da velocidade do vento; ea = tensão parcial do vapor de água; es(Ts) = tensão de vapor saturado.

32 Equação de Penman Onde:
qef é radiação efetiva (mm/dia); L é o calor latente de vaporização, igual a 59 cal/(cm2.mm); a é o albedo; T é temperatura em oK; s é a constante de Stefan-Boltzman, igual a 1, [cal/(cm2.d.dia/oK4)]; p é a proporção entre horas efetivas de brilho solar e o máximo possível

33 Equação de Penman G é radiação incidente de onda curta (cal/cm2.dia); Rt é a Radiação no topo da atmosfera (cal/cm2.dia) ea é a tensão parcial do vapor de água (mmHg); U umidade relativa do ar (%) es é a tensão de vapor saturado (mmHg); T temperatura (oC)

34 Equação de Penman w2 é a velocidade do vento medida a 2 metros de altura (km/dia) Exemplo 7.1 (Tucci)

35 Equação de Penman Rt

36 Evaporação de reservatórios e lagos
A evaporação da água de reservatórios é de especial interesse para a engenharia, porque afeta o rendimento de reservatórios para abastecimento, irrigação e geração de energia. Reservatórios são criados para regularizar a vazão dos rios, aumentando a disponibilidade de água e de energia nos períodos de escassez. A criação de um reservatório, entretanto, cria uma vasta superfície líquida que disponibiliza água para evaporação, o que pode ser considerado uma perda de água e de energia.

37 Evaporação de lagos e reservatórios
A evaporação da água em reservatórios pode ser estimada a partir de medições de Tanques Classe A, entretanto é necessário aplicar um coeficiente de redução em relação às medições de tanque. Isto ocorre porque a água do reservatório normalmente está mais fria do que a água do tanque, que tem um volume pequeno e está completamente exposta à radiação solar. Elago = Etanque . Ft onde 0,6 < Ft < 0,8.

38 Sobradinho: um rio de água para a atmosfera
O reservatório de Sobradinho, um dos mais importantes do rio São Francisco, tem uma área superficial de km2, constituindo-se no maior lago artificial do mundo, está numa das regiões mais secas do Brasil. Em conseqüência disso, a evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m3.s-1, o que corresponde a cerca de 10% da vazão regularizada do rio São Francisco. Esta perda de água por evaporação é superior à vazão prevista para o projeto de transposição do rio São Francisco, idealizado pelo governo federal.

39 Exercício Um rio cuja vazão média é de 34 m3/s foi represado por uma barragem para geração de energia elétrica. A área superficial do lago criado é de 5000 hectares. Medições de evaporação de um tanque classe A correspondem a 1500 mm por ano, qual é a nova vazão média a jusante da barragem após a formação do lago?

40 Solução E = 1500 x 0,7 mm/ano E = 1,66 m3/s Q = 34 – 1,66 = 32,34 m3/s
Redução de 4,9 % da vazão

41 Estimativa da evapotranspiração
Medição Cálculo

42 Medição de evapotranspiração
Lisímetro Peso Medir chuva Coletar água percolada Coletar água escoada Superfície homogênea

43 Medições de evapotranspiração
Medidas diretas: Lisímetro: depósito enterrado, aberto na parte superior, contendo o terreno que se quer estudar. O solo recebe a precipitação, e é drenado para o fundo do aparelho onde a água é coletada e medida. ET = P - D - R

44 Lisímetro

45 Lisímetro

46 Medições micrometeorológicas

47 Medições micrometeorológicas

48 Evapotranspiração de floresta
Capítulo 06b Evapotranspiração de floresta Fonte: INPE Luz Adriana Cuartas Javier Tomasella Carlos Nobre Antonio Donato Nobre Camilo Daleles Rennó

49 Cálculo da evapotranspiração
Equações de evapotranspiração Balanço Hídrico

50 S(t+1)=S(t) + (P –E - Q)dt
Balanço hídrico 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.

51 Equações de cálculo da evapotranspiração
Usando apenas a temperatura Usando a temperatura e a umidade do ar Usando a temperatura e a radiação solar Equação de Penman (insolação, temperatura, umidade relativa, velocidade do vento)

52 Cálculo da Evapotranspiração (mm)
Métodos baseados na temperatura: Thornthwaite: empírica, caracterizada por um único fator, a temperatura média. Foi desenvolvida para climas temperados (inverno úmido e verão seco). Blaney-Criddle: também utiliza a temperatura média e horas do dia com insolação, para regiões semi-áridas ETP=(0,457 T + 8,13) p p % luz diária ET = ETP . Kc kc é o coeficiente de cultura

53 Método de Thornthwaite
O método de Thorntwaite é calculado da seguinte forma: Onde: ETP = Evapotranspiração potencial (mm/mês) Fc = Fator de correção em função da latitude e mês do ano; a = 6, I3 – 7, I2 + 0, I + 0,492 (mm/mês) I = índice anual de calor, correspondente a soma de doze índices mensais; t =temperatura média mensal (oC)

54 Método de Thornthwaite

55 Método de Thornthwaite
Para corrigir os valores da evapotranspiração para cada tipo de cultura é só multiplicar a ETP pelo coeficiente de cultura Kc: ETPcultura = Kc . ETP Onde: ETPcultura = Evapotranspiração potencial da cultura (mm/mês); ETP = evapotranspiração potencial (mm/mês). Kc = coeficiente de cultura.

56 Coeficiente de Cultivo
Os valores de Kc são tabelados para diferentes culturas nos seus vários estágios de desenvolvimento.

57 Exercício Para uma latitude de 10º S , calcule o valor da ETP pelo Método de Thornthwaite para Janeiro, em um ano que a temperatura média desse mês foi 25,0oC, sabendo que a bacia é coberta por pasto. Mês Jan Fev Mar Abr MAi Jun Jul Ago Set Out Nov Dez T (°C) 26,9 26,1 26,2 25,6 25,5 24,9 25,0 25,7 26,7 27,3 27,5 27,1

58 Equação de Penman-Monteith
Combina energia solar outras variáveis meteorológicas

59 Penman-Monteith O fluxo de água para as camadas superiores da
atmosfera deve vencer a resistência superficial (plantas) e aerodinâmica (camada mais baixa de ar). analogia com circuito elétrico

60 Penman - Monteith

61 Penman - Monteith

62 Equação de Penman-Monteith
Pode ser usada para calcular evapotranspiração em intervalo de tempo de horas ou dias.

63 calor latente e massa específica da água

64 energia solar líquida na superfície

65 Energia solar líquida Como calcular?
A situação de estimativa mais simples ocorre quando existem dados de radiação medidos, dados normalmente em MJ.m-2.dia-1, ou cal.cm-2.dia-1. Neste caso, o termo RL da equação de Penman-Monteith pode ser obtido da equação a seguir, que desconta a parte da radiação refletida. onde a é o albedo da superfície

66 Albedo Tipo de superfície Albedo mínimo Albedo máximo Água profunda
0,04 0,08 Solo úmido escuro 0,05 0,15 Solos claros 0,25 Solos secos 0,20 0,35 Areia branca 0,30 0,40 Grama, vegetação baixa Savana Floresta 0,10 Neve 0,90

67 Energia solar líquida E quando não existem dados de radiação medida?
Quando existem apenas dados de horas de insolação, ou da fração de cobertura de nuvens, a radiação que atinge a superfície terrestre pode ser obtida considerando-a como uma fração da máxima energia, de acordo com a época do ano, a latitude da região, e o tipo de cobertura vegetal ou uso do solo.

68 Radiação no topo da atmosfera
A radiação solar no topo da atmosfera, medida por satélites, é da ordem de 1366 W.m-2. Sobre a superfície da terra esta energia atinge áreas diferentes, de acordo com a latitude e a época do ano.

69 Radiação no topo da atmosfera

70 Radiação no topo da atmosfera

71 Radiação através da atmosfera

72 Horas de sol valores máximos considerando ausência de nuvens e relevo plano

73 Numero máximo de horas de sol por dia
A insolação máxima em um determinado ponto do planeta, considerando que o céu está sem nuvens, é dada pela equação abaixo. ws depende da latitude, da época do ano

74 Insolação (horas de sol por mês) em Porto Alegre

75 fluxo de calor para o solo: pequena parte, pode ser estimado
pela diferença de temperaturas de um dia para o outro

76 dependem da temperatura do ar

77 déficit de umidade do ar: depende da temperatura e umidade relativa

78 termos que dependem da temperatura, umidade e pressão do ar

79 depende da velocidade do vento e da rugosidade
rugosidade depende da altura média da vegetação

80 Resistência Aerodinâmica

81 depende do tipo de vegetação e do stress hídrico

82 Comentários sobre eq. Penman-Monteith
É a melhor equação disponível é genérica precisa de muitos dados alguns dados são difíceis de obter

83 Exemplo Penman-Monteith

84 Solução Vamos usar a equação de Penman-Monteith
Precisamos encontrar os valores dos diversos termos da equação

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99 Falta muito Papai Smurf?

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106 Exercício

107 Definições Evapotranspiração Potencial (ETP)
Quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração, em uma unidade de tempo, de uma superfície extensa, completamente coberta de vegetação de porte baixo e bem suprida de água (Penman, 1956) Evapotranspiração real (ETR) Quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração, nas condições reais (existentes) de fatores atmosféricos e umidade do solo. A ETR é igual ou menor que a evapotranspiração potencial (Gangopadhyaya et al, 1968)

108 Evapotranspiração Evapotranspiração potencial : 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; Evapotranspiração real: é a o total transferido para a atmosfera de acordo com a disponibilidade hídrica existente (umidade do solo) e a resistência das plantas.

109 Evapotranspiração potencial de referência
A evapotranspiração potencial é diferente para cada tipo de vegetação. Para simplificar a análise freqüentemente se utiliza o conceito da evapotranspiração potencial da vegetação de referência. E, a partir desta, são calculados os valores de evapotranspiração potencial de outros tipos de vegetação, utilizando um ponderador denominado “coeficiente de cultivo” (Kc).

110 Evapotranspiração potencial de referência
A vegetação de referência normalmente adotada para os cálculos é um tipo de grama, e a sua evapotranspiração pode ser estimada a partir de dados de um lisímetro ou usando uma equação como a de Penman-Monteith.

111 Evapotranspiração potencial de referência
Grama albedo =0,23 altura = 0,12 m resistência superficial = 70 s.m-1 Usando estes valores em Penman-Monteith temos ET0 Assim, ET0 vai ser diferente em cada região, dependendo das variáveis meteorológicas

112 Resistência aerodinâmica da grama de referência: ra = 208/u2

113 Resistência superficial da grama de referência
Assume-se um valor de rs = 70 s.m-1

114 Vegetação de referência
Grama albedo =0,23 altura = 0,12 m resistência superficial = 70 s.m-1

115 ET0

116 Coeficientes de cultivo
Potencial de referência Potencial para uma dada cultura Real para uma dada Cultura

117 O coeficiente de cultivo

118 O coeficiente de cultivo

119 Kc depende da frequencia da chuva ou da irrigação

120 Modelo simples para Ks dependendo da umidade do solo
Capacidade de campo Ponto de murcha

121 Leituras adicionais Uma boa fonte de referência para ampliar os conhecimentos sobre o processo de evapotranspiração e sobre a estimativa da evapotranspiração para diferentes tipos de vegetação, especialmente os cultivos agrícolas, é o FAO Irrigation and Drainage Paper no. 56, de autoria de Richard G. Allen; Luis S. Pereira; Dirk Raes; e Martin Smith, que pode ser encontrado em formato PDF na Internet.