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Interceptação e Infiltração Prof. Carlos Ruberto Fragoso Jr. Prof. Marllus Gustavo F. P. das Neves I Hidrologia.

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1 Interceptação e Infiltração Prof. Carlos Ruberto Fragoso Jr. Prof. Marllus Gustavo F. P. das Neves I Hidrologia

2 Visita ao Canal do Sertão

3 Programa da aula Parte 1 (Interceptação) Ciclo hidrológico O que é interceptação? Fatores que influenciam a interceptação Tipos de interceptação Estimativa da interceptação Exercícios Parte 2 (Infiltração) O que é infiltração? Capacidade e taxa de infiltração Fatores que influenciam a infiltração Estimativa da infiltração Exercícios

4 zona de aeração ou zona não saturada rocha de origem lençol freático Ciclo Hidrológico infiltração escoamento superficial precipitação evaporação (interceptação)transpiração evaporação percolação fluxo ascendente escoamento sub-superficial zona saturada

5 Conceitos: Interceptação Retenção de parte da precipitação acima da superfície do solo (Blake, 1975); Devido a vegetação ou outra forma de obstrução ao escoamento, como depressões do solo; Retorna para a atmosfera por evapotranspiracão.

6 Interceptação: conceitos interfere no balanço hídrico da bacia hidrográfica: funciona como um reservatório que armazena uma parcela da precipitação para consumo; Tende a reduzir a vazão média e a variação da vazão ao longo do ano, retardando e reduzindo o pico das cheias freqüentes. Q (vazão) = P (precipitação) – ET (evapotranspiração) Equação para um período longo Para a mesma precipitação a vazão altera em função da evapotranspiração. – A vegetação aumenta a ET devido a Interceptação. Quando é retirada, a vazão aumenta.

7 INTERCEPTAÇÃO - Gênese Inicia a chuva a água molha a superfície das folhas e armazena devido às concavidades e a tensão superficial, retendo certa lâmina precipitada; Se continuar (a chuva) a capacidade de interceptação é ultrapassada; Toda a água que chega às folhas e caules escoa; Evaporação (simultânea à interceptação) à partir das folhas úmidas; O vento acelera o processo de evaporação, aumentando as perdas por interceptação. Se for muito intenso (o vento), pode provocar reprecipitação A precipitação atinge o solo: – a) atravessando a vegetação (em média 85% da precipitação inicidente); – (b) através dos troncos (1 a 2% precipitação). A diferença é a interceptação.

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9 INTERCEPTAÇÃO VEGETAL: função de Condições ClimáticasPeríodo do ano Características da precipitação Vegetação Tipo DensidadeIntensidadeVolume precipitado Chuva antecedente Condições climáticas: vento é o mais significativo efeito sazonal

10 INTERCEPTAÇÃO A interceptação depende de um modo geral: Intensidade da chuva Maior intensidade, menor interceptação (Blake, 1975). Área vegetada ou urbanizada (Av) Maior a área A v, maior o volume da interceptação. Característica da vegetação, dos prédios ou dos obstáculos (residências, edificações, etc) Maior o tamanho das folhas, maior a capacidade de armazenamento O volume interceptado retorna para a atmosfera por evaporação, após a ocorrência da chuva.

11 INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação -caracteriza a quantidade de gotas que cada folha pode reter -a densidade de folhas pode indicar o volume retido numa superfície de bacia

12 INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação As folhas geralmente interceptam a maior parte da precipitação, mas a disposição dos troncos contribui significativamente

13 INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação Espécie e espaçamento

14 INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação Floresta Nativa

15 INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação -sazonalidade -a época do ano pode caracterizar alguns tipos de cultivos que apresentam as diferentes fases de crescimento e colheita

16 INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação

17 INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Características da Precipitação intensidade, volume precipitado e chuva antecedente Pequenos volumes (0,3 mm) todo o volume é retido Precipitações superiores a 1mm: de 10 a 40% pode ficar retido intensidade interceptação (para igual volume precipitado) Precipitações precedidas por 24h de período seco produzem curva de precipitação-interceptação diferente de ocorrências precedidas por condições úmidas (Blake, 1975)

18 INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Características da Precipitação as perdas por interceptação vegetal podem chegar até a 25% da precipitação anual (Linsley et. al, 1949) Em regiões úmidas e com florestas P anual ~2000mm), a interceptação anual pode chegar a 250mm (Patric, citado por Wighan, 1970) As depressões do solo ou a baixa capacidade de drenagem podem provocar o armazenamento de grandes volumes de água a Q da bacia. No rio Paraguai observa-se em alguns trechos que a Q média diminui para jusante devido ao aumento das áreas de inundação que represam parte do volume a montante.

19 INTERCEPTAÇÃO NO PANTANAL

20 Relação Interceptação x total interceptado

21 Si=P-T-C Quantificação: Equação de continuidade do sistema de interceptação P C T

22 Quantificação: Medição das variáveis Precipitação: postos em clareiras, topo das árvores Há alta correlação entre a precipitação das clareiras e a do topo das árvores (Blake, 1972) Precipitação que atravessa as árvores: drenagem especial colocada abaixo das árvores e distribuída de forma representativa: Helvey e Patric citados por Wigham (1970): é necessário utilizar cerca de 10 vezes mais equipamentos para a medição da precipitação que atravessa a vegetação do que para a precipitação total Escoamento pelos troncos: apresenta uma parcela pequena do total precipitado (de 1 a 15%) em muitos casos está dentro da faixa de erros de amostragem das outras variáveis. – A medição só é viável para vegetação com tronco de magnitude razoável

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24 Fórmulas Conceituais Horton (1919); Merian (1960); Equações Empíricas

25 Fórmulas Conceituais – Horton Sv = capacidade de armazenamento da vegetação para a área (mm) Av = Área de Vegetação A = Área Total Si=Sv+(Av/A).E.tr E=evaporação da superfície de evaporação (mm/h) tr =duração da precipitação (horas) -relacionou o volume interceptado durante uma enchente com a capacidade de interceptação da vegetação e a taxa de evaporação -Limitações: nela a interceptação é independente da precipitação -A capacidade de armazenamento deve ser preenchida, o que necessariamente não ocorre

26 Fórmulas Conceituais - Merian (1960) Introduziu a precipitação (P) na equação original de Horton, usando a expressão exponencial: Si=Sv+(Av/A).E.tr Si=Sv (1-e -P/Sv )+A/Av.E.tr Si=Sv (1-e -P/Sv )+R.E.tr intensidade, o termo exponencial: convergindo para uma constante igual a Sv. O termo da direita da equação é transformado para Si=Sv (1-e -P/Sv )+R.E.tr Si=Sv(1-e -P/Sv )+K.P Onde: K=(R.E.tr)/P é adotado constante. Isto significa que a relação entre E e P é constante, o que não ocorre necessariamente durante uma tempestade.

27 Fórmulas Conceituais - Equações Empíricas Uso de equações de regressão relacionando as principais variáveis e ajustadas a diferentes tipos de dados. São várias Si = a + b.P n Onde: a, b e n = parâmetros ajustados ao local e Si e P=precipitação (em polegadas) Essa equação é usada para eventos. Para a estimativa do volume total interceptado (interceptação média da área): fator de projeção (f) x Si Normalmente são utilizadas versões lineares desta equação,o que simplifica ainda mais o problema, já que a expressão não leva em conta a intensidade luminosa, umidade antecedente, velocidade do vento, entre outros fatores.

28 Valores dos Parâmetros apresentados por Horton (segundo Wighan, 1970) Cobertura VegetalabnFator de projeção (f) pomar0,040,0181,00 carvalho0,050,181,00 arbustos0,020,401,00 pinus0,050,200,50 Feijão, batata e outras pequenas culturas 0,02h0,15h1,00h0,25h pasto0,005h0,08h1,00 forrageiras0,01h0,10h1,00 Pequenos grãos0,005h0,05h1,00 milho0,05h0,005h1,000,10h f = parcela de vegetação sobre a área de interesse Os coeficientes, para alguns cultivos, são multiplicados pela altura da planta h em pés Equações de regressão relacionando as principais variáveis e ajustadas a diferentes tipos de dados. Si = a + b p.n Si e P=precipitação (em polegadas) Para a estimativa do volume total interceptado utiliza-se o fator de projeção f que é multiplicado ao valor de Si, para se obter a interceptação média da área. parâmetros ajustados ao local

29 Formulação em Modelos Conceituais Vegetação como um reservatório com capacidade máxima – de acordo com o tipo de cobertura Vegetação Simulação de Precipitação retira água até atingir a sua capacidade máxima período seco Depleção do reservatório (evaporação e evapotranspiração) Vegetação analise do processo de transformação de P em Q dentro de uma visão macroespacial das bacias. a interceptação, em grande parte das bacias, durante as enchentes tem um peso relativo pequeno, perto dos demais processos. Em bacias onde a vegetação tem peso significativo e deseja-se estudar o comportamento da retirada ou acréscimo da cobertura de vegetação, é necessário retratar este processo com maior detalhe.

30 CoberturaCapacidade máxima (mm) Campo, prado2,50 Floresta ou mato3,75 Floresta ou mato denso5,00 Crawford e Linsley (1966) utilizaram este critério no modelo Stanford IV e sugeriram os valores da tabela a seguir para a capacidade máxima do reservatório de interceptação em função da cobertura vegetal

31 Armazenamento nas depressões Linsley et al. (1949) utilizou a seguinte expressão empírica para retratar o volume retido pelas depressões do solo após o início da precipitação Vd=Sd (1-e -k.Pe ) Onde: Vd=volume retido Sd=capacidade máxima Pe=precipitação efetiva K=coeficiente equivalente a 1/Sd admite-se que no início da precipitação as depressões estão vazias e para gerar escoamento superficial é necessário que as depressões estejam preenchidas. São aproximações do comportamento real já que o escoamento superficial ocorre sem que as depressões sejam todas preenchidas Hickis (1944) indicou valores de 0,10 polegadas para solos argilosos e 0,20 polegadas para solos arenosos. Viessman (1967)apresentou uma relação entre capacidade das depressões e declividade do solo obtida com base em quatro pequenas bacias impermeáveis, indicando uma grande correlação entre as variáveis

32 ARMAZENAMENTO NAS DEPRESSÕES

33 Armazenamento em escoamento superficial de pequenas bacias

34 Impactos Antrópicos que afetam a interceptação Classifica ç ãoTipo Mudan ç a da superf í cie1.desmatamento 2.reflorestamento 3.impermeabiliza ç ão O uso da superf í cie1.Urbaniza ç ão 2.reflorestamento para explora ç ão sistem á tica 3.desmatamento : extra ç ão de madeira, cultura de subsistência; culturas anuais; culturas permanentes M é todo de altera ç ão1.queimada 2.manual 3.equipamentos

35 Impacto na vazão média Tipo de desmatamentoPreparo ou tipo de plantio Á rea das bacias ha Escoamento anual mm/ano floresta sem altera ç ão16 0 Desmatamento tradicionalplantio direto2,6 3,0 6,6 limpeza manualsem preparo do solo 3,1 16,0 16,1 limpeza manualpreparo convencional 3,2 54,0 79,7 trator com lâminassem preparo2,7 86,0 104,8 trator tree-pushersem preparo3,2153,0 170,0 trator tree-pusherpreparo convencional 4,0250,0 330,6

36 Alterações da precipitação com o desmatamento albedo. A floresta absorve maior radiação de onda curta e reflete menos; flutuações da temperatura tensão de vapor das superfícies das áreas desmatadas; volume evaporado do escoamento variabilidade da umidade das camadas profundas do solo; O efeito do desmatamento pode variar com a escala e com as condições de funcionamento da atmosfera

37 Exercício 1.A Mata do Buraquinho (cujo nome oficial é Jardim Botânico Benjamim Maranhão) abrange uma área de 515 ha. A mata, que tem um formato parecido com um coração, está encravada no centro geográfico da capital do estado da Paraíba, a cidade de João Pessoa, cuja precipitação média é de 1500 mm/ano e a evaporação 3,0 mm/dia. Porém, no dia 18 de junho de 2004, ocorreu um evento de chuva diferente, que apresentou uma altura de precipitação de 114,6 mm, em 24 h. Portanto, quanto foi o volume interceptado neste dia pela mata do Buraquinho?

38 Exercício 2.A partir do evento ocorrido em João Pessoa, mostrado no exercício anterior, qual seria o armazenado nas depressões, da bacia hidrográfica onde ocorreu o evento. Descrição do evento: No dia 18 de junho de 2004, ocorreu um evento de chuva diferente, que apresentou um nível de precipitação de 114,6mm, que durou 24hs. Supondo que a capacidade máxima da bacia é de 0,15 polegadas, e que o Rendimento da bacia é igual a 80%.

39 Coffee Break!!

40 Passagem da água através da superfície do solo, ocupando os poros (volume de vazios) existentes no solo. Importante para: – crescimento da vegetação – abastecimento dos aquíferos (mantém vazão dos rios durante as estiagens) – reduzir escoamento superficial, cheias, erosão INFILTRAÇÃO

41 Processos difíceis de quantificar Física não muito complicada, mas fortemente dependente da variabilidade espacial das propriedades do solo. Estimativas por equações empíricas ajustadas para reproduzir dados medidos no campo. Infiltração

42 É um fenômeno que depende: – Da á gua dispon í vel para infiltrar – Da natureza do solo – Do estado da superf í cie – Das quantidades de á gua e ar, inicialmente presentes no solo Infiltração

43 O processo de infiltra ç ão define a entrada de á gua no solo. J á o movimento da á gua dentro do perfil é comumente referido como percola ç ão Infiltração

44 Enquanto h á aporte de á gua, o perfil de umidade tende à satura ç ão em toda a profundidade, sendo a superf í cie, naturalmente, o primeiro n í vel a saturar. Quando o aporte de á gua à superf í cie cessa (precipita ç ão para), isto é, deixa de haver infiltra ç ão, a umidade no interior do solo se redistribui, evoluindo para um perfil de umidade inverso, com menores teores de umidade pr ó ximo à superf í cie e maiores nas camadas mais profundas. Infiltração

45 Antes da chuva Depois da chuva

46 A infiltra ç ão da á gua no solo pode ser considerada como sendo a sequência das três seguintes fases: A entrada da á gua pela superf í cie; A percola ç ão da á gua atrav é s do perfil do solo; A rela ç ão da capacidade de armazenamento da á gua no solo. Infiltração

47 Capacidade de infiltração (ou taxa de infiltração) Capacidade de infiltra ç ão é a quantidade m á xima de á gua que um solo em determinadas condi ç ões pode absorver. Ela varia no decorrer da chuva. Se uma precipita ç ão atinge o solo com a uma intensidade menor que a capacidade de infiltra ç ão toda a á gua penetra no solo, provocando uma progressiva diminui ç ão da pr ó pria capacidade de infiltra ç ão, j á que o solo est á se umedecendo.

48 Capacidade de infiltração e taxa de infiltração Vol. Infiltrado Prec. Esc. Superficial

49 Quando cessa a infiltra ç ão, parte da á gua no interior do solo propaga-se para camadas mais profundas no solo e parte é transferida para a atmosfera por evapora ç ão direta ou por transpira ç ão dos vegetais. Esse processo faz com que o solo v á recuperando sua capacidade de infiltra ç ão, tendendo a um limite superior à medida que as camadas superiores do solo vão se tornando mais secas. Infiltração

50 Fatores que intervêm na infiltração 1-Permeabilidade do solo: Por exemplo a presen ç a de argila no solo diminui sua porosidade, não permitindo uma grande infiltra ç ão.

51 2-Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegeta ç ão é mais perme á vel do que um solo desmatado. 3-Inclinação do terreno: em declividades acentuadas a água corre mais rapidamente, diminuindo o tempo de infiltração.

52 4- Tipo de chuva: Chuvas intensas saturam rapidamente o solo, ao passo que chuvas finas e demoradas têm mais tempo para se infiltrarem.

53 5- Umidade do Solo: Por exemplo em um solo mais úmido a infiltração é menor do que um solo mais seco. 6- Temperatura Escoamento no solo é laminar (tranqüilo) em função da viscosidade da água. Quanto maior a temperatura maior a infiltração de água no solo

54 O solo é uma mistura de materiais sólidos, líquidos e gasosos. Na mistura também encontram-se muitos organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes) Água no solo

55 Na mistura também encontram-se muitos organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes) figura extraída de Para entender a Terra (Press et al. XXXX) Água no solo

56 Refere-se a á gua contida na zona de satura ç ão. Esta á gua subsuperficial contitui a maior reserva de á gua doce disponivel, muitas vezes maior do que todos os rios, lagos e reservat ó rios. Água subterrânea

57 Composição do solo

58 Normalmente analisada do ponto de vista do diâmetro das partículas que compõe o solo: Diâmetro (mm)Classe 0,0002 a 0,002Argila 0,002 a 0,02Silte 0,02 a 0,2Areia fina 0,2 a 2,0Areia grossa Parte sólida do solo

59 Textura do solo

60 Relação entre volume de vazios e volume total do solo Poros são ocupados por ar e água Conteúdo de umidade do solo: -Máximo conteúdo de umidade é igual à porosidade. -Neste caso o solo está SATURADO de água. Porosidade e umidade do solo

61 Areia: 0,37 a 0,50 Argila: 0,43 a 0,52 Porosidade

62 Umidade do solo varia ao longo do tempo. Para retirar a umidade do solo: – Por gravidade – Por sucção Umidade do solo

63 Saturação: condição em que todos os poros estão ocupados por água Capacidade de campo: Conteúdo de umidade no solo sujeito à força da gravidade Ponto de murcha permanente: umidade do solo para a qual as plantas não conseguem mais retirar água e morrem Umidade do solo

64 Método gravimétrico: Coleta amostra e pesa Seca a amostra e pesa TDR Time domain reflectometry Existe uma relação entre o conteúdo de umidade e a constante dielétrica do solo. Mede o tempo de transmissão de um pulso eletromagnético através do solo, entre um par de placas metálicas colocadas no solo. Permite medições contínuas e não destrutivas Outros (nuclear, sensoriamento remoto…) Medição da umidade do solo

65 Condutividade de água em condição de saturação Solo arenoso: 23,5 cm/hora Solo siltoso: 1,32 cm/hora Solo argiloso: 0,06 cm/hora

66 Inicialmente não saturados Preenchimento dos poros garante alta taxa de infiltração A medida que o solo vai sendo umedecido, a taxa de infiltração diminui Equações empíricas Infiltração de água em solos

67 f = taxa de infiltração (mm/hora) fc = taxa de infiltração em condição de saturação (mm/hora) fo = taxa de infiltração inicial (mm/hora) t = tempo (minutos) = parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo (1/minuto) Equação de Horton

68 fo = 50 mm/hora fc = 4 mm/hora Equação de Horton

69 Infiltração conforme o tipo de solo

70 Anéis concêntricos Desenho Medição da Infiltração

71 Balanço hídrico no solo V = variação de volume de água armazenada no solo; P = precipitação; Q = escoamento superficial; G = percolação; ET = evapotranspiração

72 Q = fluxo de água (m 3 /s) A = área (m 2 ) H = carga (m) L = distância (m) K = condutividade hidráulica (m/s) Fluxo da água em meios porosos saturados

73 Considere uma camada de solo de 1 m de profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na capacidade de campo e de 12% na condição de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura? Exercício

74 Uma camada de solo argiloso, cuja capacidade de infiltração na condição de saturação é de 4 mm.hora -1, está saturado e recebendo chuva com intensidade de 27 mm.hora -1. Qual é o escoamento (litros por segundo) que está sendo gerado em uma área de 10m 2 deste solo, considerando que está saturado? Exercício

75 Uma medição de infiltração utilizando o método dos anéis concêntricos apresentou o seguinte resultado. Utilize estes dados para estimar os parâmetros fc, fo e da equação de Horton. Exercício Tempo (min)Total Infiltrado (mm) 00,0 141,5 260,4 370,4 476,0 582,6 690,8 797,1 8104,0 9111, , , , ,8


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