Hidrologia Interceptação e infiltração Carlos Ruberto Fragoso Jr. Capítulo 06b Hidrologia Interceptação e infiltração Carlos Ruberto Fragoso Jr. http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj/ Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neves http://www.ctec.ufal.br/professor/mgn/ Ctec - Ufal

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

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

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.

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 frequentes. Q (vazão) = P (precipitação) – ET (evapotranspiração) Equação para um período longo Para a mesma precipitação a vazão é alterada em função da ET  esta por sua vez aumenta quando ocorre a Interceptação Interceptação  quando é retirada, a vazão aumenta

Interceptação - Gênese Inicia a chuva  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.

Interceptação vegetal Depende de vários fatores Condições Climáticas Período do ano Características da precipitação Vegetação Tipo Densidade Intensidade Volume precipitado Chuva antecedente Condições climáticas: vento é o mais significativo  efeito sazonal

Interceptação vegetal Depende geralmente: Intensidade da chuva → Maior intensidade, menor interceptação (Blake, 1975) Área vegetada ou urbanizada (Av) → Maior a área Av, 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

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

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

INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação Espécie e espaçamento

INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação Floresta Nativa

INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação Sazonalidade  regiões de maior variação climática (latitudes mais elevadas)  variação na folhagem -A época do ano pode caracterizar alguns tipos de cultivos que apresentam as diferentes fases de Crescimento e colheita

INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Tipo e densidade de vegetação

INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Características da Precipitação Intensidade Volume precipitado Chuva antecedente Para igual volume precipitado: mais intensidade  menos interceptação

INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Características da Precipitação Intensidade Volume precipitado Chuva antecedente Em florestas: pequenos volumes (0,3 mm)  todo o volume é retido P > 1mm  de 10 a 40% pode ficar retido Precipitações precedidas por 24h de período seco produzem curva de precipitação-interceptação diferente de ocorrências precedidas por condições úmidas (Blake, 1975)

INTERCEPTAÇÃO VEGETAL Características da Precipitação Perdas por interceptação vegetal podem chegar até a 25% da precipitação anual (Linsley et. al, 1949) Em regiões úmidas e com florestas Panual ~ 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

Quantificação: Equação de continuidade do sistema de interceptação Precipitação P que atravessa e vegetação Si = P – T - C P interceptada T C parcela que escoa pelo tronco

Pe = T + C P efetiva T C throughfall stemflow

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

Quantificação: Medição das variáveis

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

Fórmulas Conceituais – Horton relacionou o volume interceptado durante uma enchente com a capacidade de interceptação da vegetação e a taxa de evaporação 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)

Fórmulas Conceituais – Horton Si = Sv+(Av/A).E.tr Capacidade de armazenamento da vegetação para a área (mm) Duração da precipitação (h) Área da vegetação Área total Evaporação da superfície de evaporação (mm/h) Limitações: - a interceptação é independente da precipitação -A capacidade de armazenamento deve ser preenchida, o que nem sempre ocorre

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 converge para uma constante = 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.

Fórmulas Conceituais - Merian (1960) Si=Sv. (1-e-P/Sv) + K.P

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.Pn 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 f representa a parcela de vegetação sobre a área de interesse 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

Valores dos Parâmetros apresentados por Horton (segundo Wighan, 1970) Fórmulas Conceituais - Equações Empíricas Valores dos Parâmetros apresentados por Horton (segundo Wighan, 1970) parâmetros ajustados ao local f = parcela de vegetação sobre a área de interesse Cobertura Vegetal a b n Fator de projeção (f) pomar 0,04 0,018 1,00 carvalho 0,05 0,18 arbustos 0,02 0,40 pinus 0,20 0,50 Feijão, batata e outras pequenas culturas 0,02h 0,15h 1,00h 0,25h pasto 0,005h 0,08h forrageiras 0,01h 0,10h Pequenos grãos 0,05h milho Os coeficientes, para alguns cultivos, são multiplicados pela altura da planta h em pés

Fórmulas Conceituais - Equações Empíricas Bultot et al. (1972)  armazenamento com precipitação diária Si = a + b.P2 Essa equação é válida até um valor de P, a partir do qual Sv torna-se constante Clark (1940)  estimativa para diferentes coberturas

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) analise do processo de transformação P  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

Formulação em Modelos Conceituais Crawford e Linsley (1966) utilizaram este critério no modelo Stanford IV  sugeriram os valores da tabela a seguir para a capacidade máxima do reservatório de interceptação em função da cobertura vegetal Cobertura Capacidade máxima (mm) Campo, prado 2,50 Floresta ou mato 3,75 Floresta ou mato denso 5,00

Formulação em Modelos Conceituais  modelo IPH 2 Total interceptado  reservatório com capacidade máxima Rmax e variável de estado Rt A precipitação restante é a entrada do algoritmo de separação do escoamento

modelo IPH 2 Precipitação (P) x Evapotranspiração potencial (EP) P não “deu conta” EP busca outra fonte  Rt Rt “deu conta” EP altera o estado do reservat.

modelo IPH 2 Precipitação (P) x Evapotranspiração potencial (EP) P não “deu conta” EP busca outra fonte  Rt Rt não “deu conta” EP retira água do reserv. Altera a umidade S

modelo IPH 2 Precipitação (P) x EP EP retira água de P P “deu conta” P x restante de água no reservat. Sobrou P e Reservatório cheio

modelo IPH 2 Precipitação (P) x EP EP retira água de P P “deu conta” P x restante de água no reservat. P não “deu conta”  encheu o Reservatório

Armazenamento nas depressões

Armazenamento nas depressões Bacia hidrográfica  obstruções naturais e artificiais O volume nestas áreas somente diminui por evaporação e infiltração Bacias com baixa drenagem tendem a ter menor vazão média e maior capacidade de regularização

Armazenamento nas depressões Pantanal  bacia de grande porte onde a vazão se reduz de montante para jusante

Armazenamento nas depressões Linsley et al. (1949)  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

Armazenamento em escoamento superficial de pequenas bacias Viessman (1967) apresentou uma relação entre capacidade das depressões e declividade do solo obtida com base em 4 pequenas Bacias impermeáveis, indicando uma Grande Correlação entre as variáveis

Impactos Antrópicos que afetam a interceptação 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

Impacto na vazão média Tipo de desmatamento Preparo ou tipo de plantio Área das bacias ha Escoamento anual mm/ano 1979 1979-1981 floresta sem alteração 16 Desmatamento tradicional plantio direto 2,6 3,0 6,6 limpeza manual sem preparo do solo 3,1 16,0 16,1 preparo convencional 3,2 54,0 79,7 trator com lâminas sem preparo 2,7 86,0 104,8 trator tree-pusher 153,0 170,0 preparo convencional 4,0 250,0 330,6

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

Exercício 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?

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 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% .

Coffee Break!!

INFILTRAÇÃO 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 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 É um fenômeno que depende: Da água disponível para infiltrar Da natureza do solo Do estado da superfície Das quantidades de água e ar, inicialmente presentes no solo

Infiltração O processo de infiltração define a entrada de água no solo. Já o movimento da água dentro do perfil é comumente referido como percolação

Infiltração Enquanto há aporte de água, o perfil de umidade tende à saturação em toda a profundidade, sendo a superfície, naturalmente, o primeiro nível a saturar. Quando o aporte de água à superfície cessa (precipitação para), isto é, deixa de haver infiltração, a umidade no interior do solo se redistribui, evoluindo para um perfil de umidade inverso, com menores teores de umidade próximo à superfície e maiores nas camadas mais profundas.

Infiltração Antes da chuva Depois da chuva

Infiltração A infiltração da água no solo pode ser considerada como sendo a sequência das três seguintes fases: A entrada da água pela superfície; A percolação da água através do perfil do solo; A relação da capacidade de armazenamento da água no solo.

Capacidade de infiltração (ou taxa de infiltração) Capacidade de infiltração é a quantidade máxima de água que um solo em determinadas condições pode absorver. Ela varia no decorrer da chuva. Se uma precipitação atinge o solo com a uma intensidade menor que a capacidade de infiltração toda a água penetra no solo, provocando uma progressiva diminuição da própria capacidade de infiltração, já que o solo está se umedecendo.

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

Infiltração Quando cessa a infiltração, parte da água no interior do solo propaga-se para camadas mais profundas no solo e parte é transferida para a atmosfera por evaporação direta ou por transpiração dos vegetais. Esse processo faz com que o solo vá recuperando sua capacidade de infiltração, tendendo a um limite superior à medida que as camadas superiores do solo vão se tornando mais secas.

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

2-Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegetação é mais permeável do que um solo desmatado. 3-Inclinação do terreno: em declividades acentuadas a água corre mais rapidamente, diminuindo o tempo de infiltração.

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

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

Água no solo 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 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 subterrânea Refere-se a água contida na zona de saturação. Esta água subsuperficial contitui a maior reserva de água doce disponivel, muitas vezes maior do que todos os rios, lagos e reservatórios.

Composição do solo

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

Textura do solo

Porosidade e umidade do solo 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 Areia: 0,37 a 0,50 Argila: 0,43 a 0,52

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

Umidade do solo 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

Medição da umidade do solo 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…)

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

Infiltração de água em solos 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

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

Infiltração conforme o tipo de solo

Medição da Infiltração Anéis concêntricos Desenho

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

Fluxo da água em meios porosos saturados Q = fluxo de água (m3/s) A = área (m2) H = carga (m) L = distância (m) K = condutividade hidráulica (m/s)

Exercício 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 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 10m2 deste solo, considerando que está saturado?

Exercício Tempo (min) Total Infiltrado (mm) 0,0 1 41,5 2 60,4 3 70,4 4 76,0 5 82,6 6 90,8 7 97,1 8 104,0 9 111,7 10 115,1 15 138,1 20 163,3 24 180,8 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.