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Hidrologia Evapotranspiração Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neves

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Apresentação em tema: "Hidrologia Evapotranspiração Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neves"— Transcrição da apresentação:

1 Hidrologia Evapotranspiração Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neves Ctec - Ufal

2 Conceito Geral Fatores que afetam a evapotranspiração Medição da evaporação Evaporação em lagos e reservatórios Estimativa da evapotranspiração – Medição – Cálculo Evapotranspiração

3 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. Conceito Geral - Evapotranspiração

4 Ocorre quando o estado da água é transformado de líquido para gasoso devido à energia solar Móleculas da água líquida rompem a barreira da superfície (liberando energia) É necessário que o ar não esteja saturado Evaporação Definições

5 quantidade de energia que uma molécula de água líquida precisa para romper a superfície e evaporar calor latente de evaporação

6 Transpiração desde as raízes até as folhas, pelo sistema condutor, pelo estabelecimento de um gradiente de potencial desde o solo até o ar Transpiração no Sistema Solo Planta Atmosfera Local de maior resistência ao fluxo O gradiente de tensão de vapor de água também favorece o fluxo Quanto mais seco estiver o ar (menor Umidade Relativa), maior será esse gradiente proporcional à resistência ao fluxo da água na planta

7 Evapotranspiração (ET) Processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera através da evaporação (E) e da transpiração (T). Potencial (ETP) Real (ETR) Transpiração no Sistema Solo Planta Atmosfera

8 Definições 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) 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)

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

10 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 10 o C, P 0 é duplicada Temperatura ( o C) P 0 (atm)0,00620,01250,02380,0431 Temperatura

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12 Umidade relativa medida do conteúdo de vapor de água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar teria se estivesse saturado onde UR é a umidade relativa; w é a massa de vapor pela massa de ar e w s é a massa de vapor por massa de ar no ponto de saturação. Umidade do Ar Ar com umidade relativa de 100% está saturado de vapor, e ar com umidade relativa de 0% está completamente isento de vapor

13 Também pode ser expressa em termos de pressão parcial de vapor. 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: Umidade do Ar onde UR é a umidade relativa; e é a pressão parcial de vapor no ar e e s é pressão de saturação.

14 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 Vento Vento remove ar úmido da superfície onde ocorre ET menos umidade mais ET

15 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: Radiação Solar parte da energia incidente é refletida pelo ar e pelas nuvens (26%) 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)

16 Radiação Solar A energia absorvida pela terra e pelos oceanos aquecimento destas superfícies depois emitem radiação de ondas longas Além disso, o aquecimento das superfícies aquecimento do ar que está em contato 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

17 Radiação Solar

18 Solos arenosos úmidos tem evaporação maior do que solos argilosos úmidos Solo e vegetação A vegetação: Controla a transpiração Pode agir fechando os estômatos Busca a umidade de camadas profundas do solo

19 Solo e vegetação Umidade do solo uma das variáveis mais importantes na transpiração Solo úmido plantas transpiram livremente taxa de transpiração controlada pelas variáveis atmosféricas Solo começa a secar fluxo de transpiração começa a diminuir Condições ideais de umidade do solo ETP Condições reais de umidade do solo ETR

20 Determinação da evaporação e da ET

21 Relação entre a evaporação e a pressão de vapor, com a introdução do efeito do vento Leva em conta a radiação solar: efetiva de ondas curtas, efetiva de ondas longas, a energia de evaporação, calor sensível por condução, características aerodinâmicas método de Penman Ajuste por regressão das variáveis envolvidas Medida direta tanque classe A,... Baseia-se na equação da continuidade do lago ou reservatório Evaporação

22 Lisímetros e umidade do solo ETP Método de thornthwaite, método de Blaney-Criddle. Para determinar ET ET = ETP. k c, onde k c coeficiente de cultura (determinado em lisímetros) Baseados na variável meteorológica radiação. Equação de Jesen e Haise,... Chamada de equação de Penman adaptar o cálculo da evaporação de superfícies livres para a superfície de interesse ETP Para intervalos de tempo superiores a 1 semana Evapotranspiração

23 Tanque classe A Evaporímetro de Piché Evaporímetros medição direta

24 O mais usado forma circular com um diâmetro de 121 cm e profundidade de 25,5 cm Construído em aço ou ferro galvanizado Pintado na cor alumínio Instalado numa plataforma de madeira a 15 cm da superfície do solo permanecer com água variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior. Tanque classe A

25 Tanque "Classe A" – US Weather Bureau 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

26 Tanque classe A Fonte : Sabesp

27 Tanque classe A

28 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

29 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 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 Evaporímetro de Piché

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31 Piché é pouco confiável Evaporímetro de Piché

32 Medição (mais complicada) Cálculo Estimativa da evapotranspiração

33 Lisímetro – Depósitos enterrados, abertos na parte superior, preenchidos com solo e vegetação característica – Controle das variáveis: Peso Medir chuva Coletar água percolada Coletar água escoada Superfície homogênea Lisímetros medição direta

34 Precipitação no solo drenagem para o fundo do aparelho água é coletada e medida O depósito é pesado diariamente, assim como a chuva e os volumes escoados de forma superficial e que saem por orifícios no fundo ET calculada por balanço hídrico entre 2 dias subseqüentes ET = P - Q s – Q b – ΔV E evapotranspiração P chuva (medida num pluviômetro) Q s escoamento superficial (medido) Q b é o escoamento subterrâneo (medido no fundo do tanque) ΔV variação de volume de água (medida pelo peso)

35 Lisímetros medição direta

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38 ufsm/1ca53f95af2a6c15feea cc9.htm

39 Cálculo da ETP baseado na temperatura Thornthwaite: empírica, caracterizada por um único fator, a temperatura média. Foi desenvolvida para climas temperados (inverno úmido e verão seco). E = c T a t = temperatura de cada mês ºC T = temperatura média ºC Blaney-Criddle: também utiliza a temperatura média e horas do dia com insolação, para regiões semi-áridas ETP=(0,457 T + 8,13) p ET = ETP. K c p = % luz diária k c = é o coeficiente de cultura.

40 Cálculo da ETP baseado na temperatura

41 Para estimar evapotranspiração potencial mensal T = temperatura média do mês ( o C) a = parâmetro que depende da região I = índice de temperatura Thornthwaite j cada um dos 12 meses do ano T j temperatura média de cada um dos 12 meses

42 Exemplo MêsTemperatura Janeiro24,6 Fevereiro24,8 Março23,0 Abril20,0 Maio16,8 Junho14,4 Julho14,6 Agosto15,3 Setembro16,5 Outubro17,5 Novembro21,4 Dezembro25,5 Calcule a evapotranspiração potencial mensal para o mês de Agosto de 2006 em Porto Alegre onde as temperaturas médias mensais são dadas na figura abaixo. Suponha que a temperatura média de agosto de 2006 tenha sido de 15,3°C

43 Exemplo O primeiro é o cálculo do coeficiente I a partir das temperaturas médias obtidas da tabela. O valor de I é 96. A partir de I é possível obter a= 2,1. Com estes coeficientes, a evapotranspiração potencial é: Portanto, a evapotranspiração potencial estimada para o mês de agosto de 2006 é de 53,1 mm/mês.

44 Usando a temperatura e a umidade do ar Usando a temperatura e a radiação solar Equações de Penmann (insolação, temperatura, umidade relativa, velocidade do vento) Mais Equações de cálculo da ET

45 Jensen Haise Turc Grassi Stephens – Stewart Makkink Métodos baseados na temperatura e radiação

46 Métodos baseados na temperatura do ar e na umidade Blaney-Morin Hamon Hargreaves Papadakis

47 Equações combinadas Penman evaporação Christiansen Van Bavel Penman - Monteith ampliação de Penman para ETR de uma superfície vegetada

48 Combina – poder evaporante do ar temperatura, umidade, velocidade do vento – poder evaporante da radiação Penman

49 Em que se baseia a equação de Penman? Radiação efetiva de ondas curtas Radiação atmosférica de ondas longas Radiação atmosférica de ondas longas Fluxo de calor por condução Fluxo de calor por perda por evaporação VC Energia de entrada Energia de saída W. m -2

50 Penman Em que se baseia a equação de Penman? W. m -2 Radiação no topo da atmosfera (Stop) Radiação incidente de onda curta (Ssup) Radiação efetiva de ondas curtas Radiação líquida na superfície (R L ) Stop Ssup RLRL. Ssup ondas curtas

51 Penman Em que se baseia a equação de Penman? Radiação no topo da atmosfera (Stop) função da latitude, distância sol- terra e época do ano ondas curtas

52 Penman Em que se baseia a equação de Penman? ondas longas L n radiação líquida de ondas longas que deixa a superfície terrestre W. m -2 ondas longas para a atmosfera LnLn para a superfície f fator de correção devido à cobertura de nuvens T [ºC] temperatura média do ar a 2 m do solo emissividade da superfícies constante (σ = 4, MJ.m -2. ºK -4. dia -1 )

53 Penman - Monteith Penman + introdução de um fator de resistência que leva em consideração o stress de umidade da vegetação e do solo

54 Penman - Monteith

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56 Massa específica do ar P A é a pressão atmosférica em kPa T é a temperatura do ar a 2m da superfície em ºC Massa específica do água T W é a temperatura da água em ºC

57 Penman - Monteith Pressão de saturação do vapor (e s ) T é a temperatura do ar a 2m da superfície em ºC Pressão real de vapor de água no ar (e d ) UR é a umidade relativa do ar em %

58 Penman - Monteith Calor latente de vaporização (λ) em MJ. kg -1 T é a temperatura do ar a 2m da superfície em ºC Constante psicrométrica (γ) taxa de variação da pressão de saturação do vapor com a temperatura do ar (Δ) T é a temperatura do ar a 2m da superfície em ºC

59 Penman - Monteith Resistência aerodinâmica (r a ) u m,10 é a velocidade do vento a 10 m de altura em m/s h é a altura da vegetação em m z 0 é a rugosidade da superfície (z 0 = h/10)

60 Penman - Monteith Resistência aerodinâmica (r a )

61 Penman - Monteith Resistência aerodinâmica (r a ) Representa a dificuldade com que a umidade, que deixa a superfície das folhas e do solo, é dispersada pelo meio Na proximidade da vegetação o ar tende a ficar mais úmido, dificultando o fluxo de evaporação A velocidade do vento e a turbulência contribuem para reduzir a resistência aerodinâmica, trocando o ar úmido próximo à superfície que está fornecendo vapor, como as folhas das plantas ou as superfícies líquidas, pelo ar seco de níveis mais elevados da atmosfera.

62 Penman - Monteith Resistência aerodinâmica (r a ) Inversamente proporcional à altura dos obstáculos enfrentados pelo vento, porque são estes que geram a turbulência

63 Penman - Monteith Velocidade do vento a 10 m de altura u m,2 é a velocidade do vento a 2 m de altura em m/s z 0 é a rugosidade da superfície (z 0 = h/10) Estações climatológicas normalmente dispõe de dados de velocidade do vento medidas a 2 m de altura. Para converter estes dado a uma altura de referência de 10 m é utilizada a equação ao lado

64 Penman - Monteith Resistência superficial da vegetação (r s ) Valores de referência (boas condições de umidade) – Grama: r s = 69 s/m (ETP) – Florestas superficiais: r s = 100 s/m

65 Penman - Monteith Fluxo de energia para o solo (G) Por simplicidade, G pode ser considerado nulo T d é a temperatura do solo no dia que se deseja calcular a ET T 3d é a temperatura do solo 3 dias antes Radiação líquida na superfície (R L ) S SUP é a radiação de atinge a superfície (MJ.m -2.s -1 ) – valor medido α é o albedo, parcela da radiação incidente que é refletida (depende do uso e da cobertura vegetal - tabelado)

66 Penman - Monteith

67 Nem sempre estações meteorológicas medem a radiação que atinge a superfície (S SUP ); Quando existem apenas dados de horas de insolação ou da fração de cobertura de nuvens, estima-se a radiação que atinge a superfície através de equações empíricas

68 Penman – Monteith analogia com circuito elétrico Fluxo evaporativo corrente elétrica Déficit de pressão de vapor no ar (pressão de saturação do vapor menos pressão parcial real: es-ed) Diferença de potencial (Voltagem) Resistência: combinação de resistência superficial e resistência aerodinâmica Resistência elétrica

69 Penman - Monteith Resistência superficial combinação, para o conjunto da vegetação, da resistência estomática das folhas Representa a resistência ao fluxo de umidade do solo, através das plantas, até a atmosfera É diferente para os diversos tipos de plantas e depende de variáveis ambientais (umidade do solo, temperatura do ar e radiação recebida pela planta) A maior parte das plantas exerce um certo controle sobre a resistência dos estômatos podem controlar a r s

70 Penman - Monteith Resistência estomática das folhas depende da disponibilidade de água no solo Em condições favoráveis valores de resistência estomática e, em conseqüência, os de resistência superficial são mínimos

71 ETR ETP Umidade do solo Smx ETR = evapotranspiração depende da umidade do solo Relações

72 Períodos de estiagem mais longos ET retira umidade do solo ET diminui A redução da ET não ocorre imediatamente Para valores de umidade do solo entre a capacidade de campo e um limite ET não é afetada pela umidade do solo A partir deste limite ET diminuída mínimo (normalmente zero) no ponto de murcha permanente Neste ponto r S atinge valores altíssimos

73 Penman – Monteith passos 1.Obter o dia Juliano (J) para a data que se deseja calcular a ET 2.Obter a latitude ( ), em graus, do local que se deseja calcular a ET 3.Calcular a declinação solar em radianos 4.Calcular a distância relativa da terra ao sol (d r )

74 5. Calcular o ângulo ao nascer do sol em radianos (ω s ) é a latitude do local em radianos é declinação solar em radianos Penman – Monteith passos 6. Calcular a insolação máxima (N) para a localização desejada

75 7. Calcular a radiação solar que atinge o topo da atmosfera (S TOP ), em MJ.m -2.dia -1 é a latitude do local em radianos é declinação solar em radianos ω s é o ângulo do sol ao nascer em radianos Penman – Monteith passos

76 8. Calcular a radiação solar que atinge o topo da superfície (S SUP ), em MJ. m -2. dia -1 N insolação máxima possível em horas n isolação medida em horas a fração de atinge a superfície em dias encobertos (quando n=0) b fração de atinge a superfície em dias sem nuvens (quando n = N) Penman – Monteith passos

77 Quando não existem dados locais medidos que permitam estimativas mais precisas, são recomendados os valores de 0,25 e 0,50, respectivamente, para os parâmetros a s e b s ; Quando a estação meteorológica dispõe de dados de insolação, a equação acima é utilizada com n medido e N estimado pela equação. Quando a estação dispõe de dados de fração de cobertura, utiliza-se o valor de n/N diretamente Penman – Monteith passos 9. Calcular a radiação solar líquida na superfície (R L )

78 Estime a evapotranspiração média, em mm/dia, através da equação de Penman-Monteith para a cidade de Maceió (posto Inmet Ufal), no sábado, dia 23/04/2011 Exercício Abrir planilha A cessar observações estações automáticas ou convencionais localizar a estação da Ufal no mapa colocar a latitude na planilha clicar em dados escolher data e baixar os dados podem ser colocados no Excelhttp://www.inmet.gov.br/

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80 Exercício

81 Dados meteorológicos

82 Dados meteorológicos

83 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 Comentários sobre os métodos de estimativa

84 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 ETP 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. Evapotranspiração

85 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 Balanço hídrico

86 Exemplo: Uma bacia (Rio Passo Fundo) com Precipitação média 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. Balanço hídrico

87 mm/anom 3 /s A = Área da bacia Q = vazão Conversão de unidades

88 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 Evaporação em reservatórios

89 A evaporação da água em reservatórios estimada a partir de medições de Tanques de Classe A Entretanto é necessário aplicar um coeficiente de redução em relação às medições de tanque 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 Evaporação em reservatórios

90 Assim, para estimar a evaporação em reservatórios e lagos costuma-se considerar que esta tem um valor de aproximadamente 60 a 80% da evaporação medida em Tanque Classe A na mesma região, isto é: Onde F t tem valores entre 0,6 e 0,8. Evaporação em reservatórios

91 Evaporação em lagos e reservatórios Reservatório de Sobradinho constituindo-se no maior lago artificial do mundo, está numa das regiões mais secas do Brasil área superficial de km 2 Evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m 3.s -1 10% da vazão regularizada do rio São Francisco Esta perda é superior à vazão prevista para o projeto de transpiração do rio São Francisco

92 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 hectares. Medições de evaporação de um tanque classe A correspondem a mm por ano. Qual é a nova vazão média a jusante da barragem após a formação do lago? Exercício

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

94 Deseja-se construir um reservatório em um rio, cuja bacia possui uma área de 50 km 2. A área de inundação do reservatório é de 10 km 2. Estime qual deve ser a redução de vazão média disponível na bacia. Considere que a evaporação potencial da superfície da água é de mm por ano. A evaporação estimada por balanço hídrico antes da construção do reservatório foi de mm por ano. Nestas mesmas condições, a vazão média era de 1,41 m 3 /s e a precipitação de mm por ano. Exercício

95 ET após a construção ET = (0, )/50 = 1.105,6 mm/ano Q após a construção Q = ,6 = 835,4 mm/ano Redução de Q Q antes = 1,41 m 3 /s Q depois = 835,4 mm/ano = 1,325 m 3 /s Redução de 6,45% Exercício


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