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PorLUCIANO MENESES CARDOSO DA SILVA
Engenheiro CivilEspecialista 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)
InterceptaçãoInfiltração
Evaporação e Evapotranspiração
Slides próprios e obtidos de Tucci, Porto, Ahy e Freitas.
Interceptação
Conceitos A interceptação é a retenção de parte da precipitaçãoA 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 consumoA tendência é de que a interceptação reduza a variação da vazão ao longo do ano, retarde e reduza o pico das cheias
Tucci, 2003
Interceptação vegetalA 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
Tucci, 2003
Relação interceptação e total precipitado
CaracterísticasO 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 baciaAs 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 interceptaçãoA época do ano também pode caracterizar alguns tipos de cultivos que apresentam as diferentes fases de crescimento e colheita.
Tucci, 2003
Equação da continuidade A equação da continuidade
do sistema de interceptação pode ser descrita por
Si = P ‑T ‑ C OndeSi = precipitação
interceptada;P = precipitação;T = precipitação que
atravessa a vegetação;C = parcela que escoa pelo
tronco das árvores.
Tucci, 2003
QuantificaçãoEquações empíricas
Si= a + b.Pn
a, b e n = parâmetros ajustados ao local e Si e P = precipitação, em polegadas.
Cobertura
Vegetala b n
Pomar 0,04 0,018 1,00"Ash" 0,02 0,018 1,00"beech" 0,04 0,18 1,00Carvalho 0,05 0,18 1,00"maple" 0,04 0,18 1,00arbustos 0,02 0,40 1,00pinus 0,05 0,20 0,50feijão, batata e outras
pequenas culturas 0,02h 0,15h 1,00pasto 0,005h 0,08h 1,00forrageiras 0,01h 0,10h 1,00pequenos grãos 0,005h 0,05h 1,00milho 0,05h 0,005h 1,00
Tucci, 2003
h = altura da planta (em pés)
Exemplo do armazenamento em escoamento superficial de pequenas
bacias
Tucci, 2003
Tucci, 2003
Desmatamento em São Paulo
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
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
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
Alterações dos efeitos da precipitação com a urbanização
Tucci, 2003
43
Subterrânea
Tucci, 2003
Avaliação das alterações(vazão média)
Local Antes de1970
1970-1990
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
Tucci, 2003
Vazões observadas em Guaíra, rio Paraná (1931 a 1990)
Tucci, 2003
Infiltração
ConceitosInfiltração: 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
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 infiltrarda natureza do solodo estado da sua superfícieda topografiadas quantidades de água e ar, inicialmente presentes no seu interior.
Tucci, 2003
Infiltração e percolação
Solo saturado Lençol
freático
Solo não saturado
Precipitação
Tucci, 2003
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 = IcQuando P < Ic, Ir = P
Tucci, 2003
EXEMPLO
Tucci, 2003
Equação de Horton 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 precipitaçãoAlgoritmo de Berthelot elimina o problema do item b
Tucci, 2003
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
Evaporação e
Evapotranspiração
ConceitosA 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
Água líquida
Vapor de água
Condensação Vaporização
Movimento da molécula de água entre as superfícies de água e o ar
USP, 2003
Curva de pressão de Vapor da Água
USP, 2003
Quando as taxas de condensação e
vaporização se igualam não há
evaporação : diz-se que o ar está
saturado.
USP, 2003
Movimento da molécula de água entre as superfícies de água e o ar
USP, 2003
EvaporaçãoEvaporação 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 0CUSP, 2003
TranspiraçãoTranspiração é a parte da
evapotranspiração que vai para
a atmosfera através das plantas
(estômatos)
USP, 2003
As taxas de evaporação e
transpiração (evapotranspiração)
são dadas em unidades de altura
divididas por unidade de tempo :
mm/dia, mm/mês...
USP, 2003
Evaporatranspiração potencial (ETP):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
Taxas de Evaporação Padrão
Evaporatranspiração real (ETR):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
Taxas de Evaporação Padrão
Evapotranspiração real:Evapotranspiração real:
DifícilDifícil obtenção. Demanda longo tempo de observação e custa caro
Evapotranspiração potencial:Evapotranspiração potencial:
Obtida a partir de modelos baseados em Obtida a partir de modelos baseados em leis físicas e relações empíricas de forma leis físicas e relações empíricas de forma rápida e suficientemente precisarápida e suficientemente precisa
Há várias teorias que relacionam ambas em função da Há várias teorias que relacionam ambas em função da disponibilidade de água do solo (umidade). Nenhuma disponibilidade de água do solo (umidade). Nenhuma aceita universalmenteaceita universalmente
Taxas de Evaporação Padrão
Tucci, 2003
0 20 40 60 80 100
UMIDADE DO SOLO (%)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0E
Tr
= E
VA
PO
TR
AN
SP
IRA
ÇÃ
O R
EL
AT
IVA
ET
p
P. MURCHA C.CAMPO
HOLMES EROBERTSON
THORNTWAITE E MATTHER
MINHAS ET AL.
MUSTONEN EMc GUINNESS
PIERCE
VEIHMEYER E HENDRICKSON
Resultados de vários estudos mostrando a variação da ET relativa com a Umidade do Solo
Evapotranspiração de Referência ETo: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.
Taxas de Evaporação Padrão
Embrapa, 2005
USP, 2003
Tanque Classe A
USP, 2003
Método do Tanque Evaporimétrico
Correlaciona a evapotranspiração potencial (ETP) com a evaporação medida no tanque (E)
ETP = Kp * EKp = coeficiente do tanque, depende
do tipo de tanque e de outros parâmetros meteorológicos (valor mais comum: Kp = 0,7)
USP, 2003
Atmômetro
USP, 2003
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
Balanço de Massas ou Aerodinâmico
(1ª Lei de Dalton: relação entre evaporação e pressão de vapor)
Ea = B. (eas - ea)
202
22
)]/[ln(**
****622.0
zzp
uKB
w
a
USP, 2003
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 Paw = massa específica da água ( 997 kg/m3)
z0 = espessura da camada limite ( ~0.03 cm)USP, 2003
USP, 2003
Equação do balanço hídrico
dV/dt = I ‑ Q ‑ Eo.A + P.A
Variação de volume
entrada
saídaevaporação
precipitação
USP, 2003
Esquema de um Lisímetro
USP, 2003
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
Fórmula de Blaney-Criddle
ETP = p*(0.46*t + 8.13)onde :ETP = Evapotranspiração potencial, em mm/mêsp = 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
Fórmula de Blaney-Criddle
ANA, 2005
Método dos Coeficientes de Cultura (Kc)
USP, 2003
Método dos Coeficientes de Cultura (Kc)
Kc
Cultura inicial vegetativo produção maturação
Abóbora-seca 0.5 0.75 1 0.8Abobrinha 0.5 0.75 1 0.8
Alface 0.7 0.85 1 0.95Alho 0.7 0.85 1.05 0.075
Batata 0.45 0.75 1.15 0.75Batata-doce 0.5 0.8 1.15 0.65
Berinjela 0.6 0.85 1.15 0.8Beterraba 0.5 0.8 1.05 0.95Brócolos 0.7 0.85 1.05 0.95Cebola 0.7 0.85 1.05 0.75
Cenoura 0.7 0.85 1.05 0.95Couve-flor 0.7 0.85 1.05 0.95
Ervilha-seca 0.4 0.7 0.85 0.3Ervilha-verde 0.45 0.8 1.1 1Feijão-vagem 0.7 0.85 1.05 0.95Grão-de-bico 0.4 0.7 0.85 0.3
Lentilha 0.4 0.7 0.85 0.3Mandioquinha-salsa 0.5 0.75 1 0.8
Melancia 0.4 0.7 1 0.75Melão 0.5 0.75 0.95 0.7
Milho-doce 0.4 0.8 1.15 1.05Morango 0.4 0.65 0.85 0.75Pepino 0.6 0.8 1 0.75
Pimentão 0.55 0.8 1.05 0.9Repolho 0.7 0.85 1.05 0.95
Tomate indústria 0.45 0.65 0.85 0.6Tomate de mesa 0.6 0.85 1.15 0.9