Balanço Hídrico Climatológico (BHC)

GNE109Agrometeorologia

Prof. Luiz Gonsaga de Carvalho

Armazenamento = 100 mm

Precipitação pluvial(chuva)

Evapotranspiraçãopotencial

Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955)

Veja explicação no próximo slide

Conforme esquema anterior, o BHC é a contabilização das entradas e saídas de água do sistema solo-planta, sendo que a sua interpretação fornece informações sobre o ganho, perda e armazenamento de água no solo. Como elementos para o cálculo, considera-se precipitação pluvial (P) como fornecimento de água e a demanda de água por esse sistema pela evapotranspiração potencial (ETp).


Sendo o solo o reservatório de água para as plantas deve-se levar em consideração a sua capacidade de armazenamento o que depende de suas propriedades físico-hídricas. Para estudos climáticos, sem a associação de uma cultura agrícola específica, normalmente adota-se o valor de 100 mm para o armazenamento de água no solo.

Ainda, caso sejam conhecidos alguns parâmetros físico-hídricos do solo da região (ou do solo predominante) a CAD (mm) pode ser obtida pela seguinte equação:

em que, cc – umidade na capacidade de campo (%);pmp – umidade no ponto de murcha permanente (%);ρs – densidade do solo (g cm-3);pe – profundidade efetiva do sistema radicular (mm).

es

pmpcc p100

CAD


Tipo de solo Profundidade das raízes(m)

Capacidade de água disponível

(mm)

Culturas de raízes superficiais (feijão, batata, ervilha)Areia fina 0,50 50Franco arenoso fino 0,50 75Franco limoso 0,62 125Franco argiloso 0,40 100Argiloso 0,25 75

Culturas de raízes de média profundidade (cereais)Areia fina 0,75 75Franco arenoso fino 1,00 150Franco limoso 1,00 200Franco argiloso 0,80 200Argiloso 0,50 50

Cultura de raízes profundas (alfafa, algodão, pastagens, etc.)

Areia fina 1,00 100Franco arenoso fino 1,00 150Franco limoso 1,25 250Franco argiloso 1,00 250Argiloso 0,67 200

Árvores frutíferasAreia fina 1,50 150Franco arenoso fino 1,67 250Franco limoso 1,50 300Franco argiloso 1,00 250Argiloso 0,67 200

Floresta adultaAreia fina 2,50 250Franco arenoso fino 2,00 300Franco limoso 2,00 400Franco argiloso 1,60 400Argiloso 1,17 350

Profundidade efetiva do sistema radicular e orientação para determinação da capacidade de armazenamento de água no solo para o cálculo do balanço hídrico de Thornthwaite e Mather (1955), adaptado de Mota, 1983



Excesso hídrico

Evapotranspiração

potencial

Caso chova mais que evapotranspira, poderá ocorrer excesso hídrico. Contudo isto será efetivamente confirmado após o complemento do BHC (esquema a seguir).




Evapotranspiração

potencial

Deficiência hídrica

E se, ao contrário, a chuva for inferior à evapotranspiração poderá ocorrer deficiência hídrica, (esquema seguinte). O que também será efetivamente confirmada após o complemento do BHC.


Para os cálculos do BHC, além da necessidade de informar geograficamente o local por meio de suas coordenadas geográficas, são também necessários, para todos os meses do ano, dados de uma série longa dos elementos climáticos sendo, muito comum, utilizarem dados normais, ou seja, dados publicados nas Normais Climatológicas.

Assim, para o desenvolvimento do BHC e posterior zoneamento climático, o ideal é que se tenha a disposição as normais climatológicas de diversas localidades para que em seguida se efetua a espacialização da informação conforme se observa para o estado de Minas Gerais (Figura a seguir).


Rede estadual de Minas Gerais de estações climatológicas pertencentes ao Instituto Nacional de Meteorologia - INMET

Estação Climatológica Principal de Lavras – MG Convênio UFLA/INMET

Assim os dados normais necessários são os valores mensais de precipitação pluvial e demais elementos climáticos para a estimativa da evapotranspiração potencial (ETp). Ressalta-se que para ETp não existem valores observados por estações climatológicas, devendo essa ser estimada por algum método.

Existem diversos métodos para estimativa da ETp, sendo aqui destacado o método de Thornthwaite, sendo originalmente proposto por Thornthwaite e Mather (1955) para o BHC. Esse método necessita apenas das temperaturas médias mensais normais.


Se, para determinado local, a série for insuficiente para o cálculo da Normal Climatológica, pode-se efetuar o cálculo do balanço hídrico, porém, esse fato deverá ser destacado, tanto no cálculo como na representação gráfica, de forma bastante clara.


Segue–se portanto, os cálculos do BHC tomando, por exemplo, o de Lavras-MG.


Inicialmente extrai-se das Normais Climatológicas (Tabela a seguir) os valores mensais de precipitação pluvial e temperatura do ar (Veja slide seguinte).

Normais Climatológicas (1961-1990) - Exemplo: LAVRAS - MG

Meses ETp P P-ETp N. Ac. ARM ALT ETr DEF EXC

Jan. 102 272Fev. 93 192Mar. 87 174Abr. 72 67Maio 55 41Jun. 45 28Jul. 44 23Ago. 58 25Set. 68 73Out. 86 126Nov. 91 213Dez. 98 296

Ano 899 1530

Conforme mencionado a ETp foi estimada pelo método de THORNTHWAITE.


A coluna (P-ETp) representa as diferenças mensais entre ETp e P. Os valores positivos indicam que a disponibilidade de água no mês (precipitação) é superior à demanda (evapotranspiração potencial) podendo ocorrer excesso hídrico e os valores negativos poderá indicar deficiência hídrica. Contudo essas informações só serão evidenciadas ao completar o BHC.


Jan. 102 272 170Fev. 93 192 99Mar. 87 174 87Abr. 72 67 -5Maio 55 41 -14Jun. 45 28 -17Jul. 44 23 -21Ago. 58 25 -33Set. 68 73 5Out. 86 126 40Nov. 91 213 122Dez. 98 296 198

Ano 1173 1530 631



Jan. 102 272 170Fev. 93 192 99Mar. 87 174 87Abr. 72 67 -5 -5 95Maio 55 41 -14 -19 82Jun. 45 28 -17 -36 69Jul. 44 23 -21 -57 56Ago. 58 25 -33 -90 40Set. 68 73 5Out. 86 126 40Nov. 91 213 122Dez. 98 296 198

Ano 899 1530 631

A coluna seguinte representa o acúmulo de negativas de P-ETp (N. Ac.). Para dar início ao seu preenchimento “repete-se” a primeira P-ETp negativa após uma sequência de valores positivos e, com a fórmula abaixo calcula-se o armazenamento do mês preenchendo a coluna seguinte (ARM). Para facilidade, pode-se também utilizar tabelas, como exemplificada a seguir.Essas duas colunas são preenchidas simultaneamente. A CAD (capacidade de água disponível no solo) adotada é de 100 mm, a qual representa o armazenamento máximo de água que o solo consegue reter. No caso, a primeira negativa é -5 e o respectivo armazenamento calculado, ou tabelado, é 95. Nos meses subsequentes acumula-se as negativas, mês a mês, calculando os respectivos armazenamentos até quando não se tem mais negativa para acumular, finalizando em agosto para o presente exemplo.

CADNA

eCADArm


Neg. Acum. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 100 99 98 97 96 95 94 93 92 9110 90 89 88 88 87 86 85 84 83 8220 81 81 80 79 78 77 77 76 75 7430 74 73 72 71 70 70 69 68 68 6740 66 66 65 64 64 63 62 62 61 6050 60 59 59 58 58 57 56 56 55 5460 54 53 53 52 52 51 51 50 50 4970 49 48 48 47 47 46 46 45 45 4480 44 44 43 43 42 42 41 41 40 4090 40 39 39 38 38 38 37 37 36 36

100 36 35 35 35 34 34 34 33 33 33110 32 32 32 31 31 31 30 30 30 30120 29 29 29 28 28 28 27 27 27 27130 26 26 26 26 25 25 25 24 24 24140 24 24 23 23 23 23 22 22 22 22150 22 21 21 21 21 20 20 20 20 20160 19 19 19 19 19 18 18 18 18 18170 18 17 17 17 17 17 16 16 16 16180 16 16 15 15 15 15 15 15 14 14190 14 14 14 14 14 14 13 13 13 13200 13 13 12 12 12 12 12 12 12 12210 12 11 11 11 11 11 11 11 11 11220 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10230 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9240 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8250 8 8 8 7 7 7 7 7 7 7260 7 7 7 7 7 7 6 6 6 6280 6 6 6 6 6 5 5 5 5 5300 5 5 4 4 4 4 4 4 4 4320 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4330 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3350 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2410 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1450 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

. Água retida após ocorridos diferentes valores de evapotranspiração, para solos com capacidade de retenção de água de 100 mm

Exemplificando o uso da tabela de capacidade de retenção de água: Tem-se que, para o mês de junho, a negativa acumulada (Neg. Ac.) é -36 mm, portanto, entrando com o valor 30 na coluna de dezenas e, com o valor 6 na linha de unidades, tem-se o respectivo armazenamento (69). Efetuando o processo contrário, ou seja, entrando com o armazenamento do mês, ter-se-á como saída, a negativa acumulada, pela união dos respectivos valores obtidos na coluna das dezenas e linha de unidades.


Jan. 102 272 170Fev. 93 192 99Mar. 87 174 87Abr. 72 67 -5 -5 95Maio 55 41 -14 -19 82Jun. 45 28 -17 -36 69Jul. 44 23 -21 -57 56Ago. 58 25 -33 -90 40Set. 68 73 5Out. 86 126 40Nov. 91 213 122Dez. 98 296 198

Ano 899 1530 631

A coluna seguinte representa o acúmulo de negativas de P-ETp (N. Ac.). Para dar início ao seu preenchimento “repete-se” a primeira P-ETp negativa após uma sequência de valores positivos e, com a fórmula abaixo calcula-se o armazenamento do mês preenchendo a coluna seguinte (ARM). Para facilidade, pode-se também utilizar tabelas, como exemplificada a seguir.Essas duas colunas são preenchidas simultaneamente. A CAD (capacidade de água disponível no solo) adotada é de 100 mm, a qual representa o armazenamento máximo de água que o solo consegue reter. No caso, a primeira negativa é -5 e o respectivo armazenamento calculado, ou tabelado, é 95. Nos meses subsequentes acumula-se as negativas, mês a mês, calculando os respectivos armazenamentos até quando não se tem mais negativa para acumular, finalizando em agosto para o presente exemplo.

CADNA

eCADArm



Jan. 102 272 170 0 100Fev. 93 192 99 0 100Mar. 87 174 87 0 100Abr. 72 67 -5 -5 95Maio 55 41 -14 -19 82Jun. 45 28 -17 -36 69Jul. 44 23 -21 -57 56Ago. 58 25 -33 -90 40Set. 68 73 5 -78 45Out. 86 126 40 -16 85Nov. 91 213 122 0 100Dez. 98 296 198 0 100

Ano 899 1530 631 - -

Então a partir do mês de setembro (não tendo mais negativa a acumular) segue-se da seguinte forma:

Veja que o saldo P-ETp equivale a 5 mm, o que em princípio poderia ser considerado excesso hídrico, porém o armazenamento (ARM) do mês anterior está bastante reduzido (40 mm); então soma-se o saldo positivo de P-ETp ao ARM do mês anterior, obtendo-se o do mês em questão, ou seja, em setembro o ARM passa a ser de 45 mm. Vê-se assim, que no início do período chuvoso começa a reposição de água ao solo. No mês seguinte o saldo P-ETp continua positivo (40 mm), da mesma forma, soma-se este saldo ao ARM do mês anterior, elevando o ARM do mês de outubro para 85 mm. No mês subsequente, novembro, o saldo P-Etp é de 122 mm, daí ao somar esse ao ARM do mês anterior (85 mm), o resultado supera o ARM máximo que o solo consegue reter (100 mm) permanecendo portanto igual a 100 mm. Nesses casos as respectivas negativas acumuladas são encontradas de forma inversa ao processo anterior, ou seja, calculando-a a partir do ARM conforme a equação abaixo, ou com o uso da tabela, veja a seguir.

CAD

ArmlnCADNA


Neg. Acum. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 100 99 98 97 96 95 94 93 92 9110 90 89 88 88 87 86 85 84 83 8220 81 81 80 79 78 77 77 76 75 7430 74 73 72 71 70 70 69 68 68 6740 66 66 65 64 64 63 62 62 61 6050 60 59 59 58 58 57 56 56 55 5460 54 53 53 52 52 51 51 50 50 4970 49 48 48 47 47 46 46 45 45 4480 44 44 43 43 42 42 41 41 40 4090 40 39 39 38 38 38 37 37 36 36

100 36 35 35 35 34 34 34 33 33 33110 32 32 32 31 31 31 30 30 30 30120 29 29 29 28 28 28 27 27 27 27130 26 26 26 26 25 25 25 24 24 24140 24 24 23 23 23 23 22 22 22 22150 22 21 21 21 21 20 20 20 20 20160 19 19 19 19 19 18 18 18 18 18170 18 17 17 17 17 17 16 16 16 16180 16 16 15 15 15 15 15 15 14 14190 14 14 14 14 14 14 13 13 13 13200 13 13 12 12 12 12 12 12 12 12210 12 11 11 11 11 11 11 11 11 11220 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10230 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9240 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8250 8 8 8 7 7 7 7 7 7 7260 7 7 7 7 7 7 6 6 6 6280 6 6 6 6 6 5 5 5 5 5300 5 5 4 4 4 4 4 4 4 4320 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4330 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3350 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2410 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1450 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

. Água retida após ocorridos diferentes valores de evapotranspiração, para solos com capacidade de retenção de água de 100 mm

Exemplificando o uso da tabela de capacidade de retenção de água: Efetuando o processo contrário, ou seja, entrando com o armazenamento do mês, ter-se-á como saída, a negativa acumulada, pela união dos respectivos valores obtidos na coluna das dezenas e linha de unidades.

A próxima coluna a ser preenchida é da Alteração (ALT), sendo a variação de armazenamento do mês (i) relativa ao mês anterior (i – 1).

Os valores negativos indicam a retirada de água em que a grama (cultura de referência) procura atender no todo ou em parte a sua demanda de evapotranspiração (ETp).

Os valores positivos representam a reposição de água ao solo, ocorrendo nos meses em que as chuvas superam a demanda de evapotranspiração (ETp).

Portanto, o somatório dessa coluna é necessariamente “0”, pois no equilíbrio climático a retirada de água do solo é igual à sua reposição.

1ii ArmArmAlt


Jan. 102 272 170 0 100 0Fev. 93 192 99 0 100 0Mar. 87 174 87 0 100 0Abr. 72 67 -5 -5 95 -5Maio 55 41 -14 -19 82 -13Jun. 45 28 -17 -36 69 -13Jul. 44 23 -21 -57 56 -13Ago. 58 25 -33 -90 40 -16Set. 68 73 5 -78 45 5Out. 86 126 40 -16 85 40Nov. 91 213 122 0 100 15Dez. 198 296 198 0 100 0

Ano 899 1530 631 - - 0



Jan. 102 272 170 0 100 0 102Fev. 93 192 99 0 100 0 93Mar. 87 174 87 0 100 0 87Abr. 72 67 -5 -5 95 -5 72Maio 55 41 -14 -19 82 -13 54Jun. 45 28 -17 -36 69 -13 41Jul. 44 23 -21 -57 56 -13 36Ago. 58 25 -33 -90 40 -16 41Set. 68 73 5 -78 45 5 68Out. 86 126 40 -16 85 40 86Nov. 91 213 122 0 100 15 91Dez. 98 296 198 0 100 0 98

Ano 899 1530 631 - - 0 867

A evapotranspiração real (ETr), é calculada conforme os seguintes critérios:

ETr será igual a ETp sempre que P > ETp, ou seja, não ocorre restrição de água para a cultura se a precipitação é maior que a demanda de evapotranspiração.

Se P ETp ETr = ETp




Ano 899 1530 631 - - 0 869

Nos outros casos, ETr será igual a P somada ao valor absoluto da alteração; nesse caso, como P é inferior à ETp, tudo que chove é utilizado na ETr e ainda a cultura retira água do solo em relação ao armazenamento do mês anterior.

Se P < ETp ETr = P + I Alt I




Ano 899 1530 631 - - 0 869

0000148170000

30

A deficiência hídrica, (DEF), representa a deficiência de evapotranspiração, ou seja, o quanto faltou de água para que ETr tivesse sido igual ao valor da ETp. Portanto, calcula-se pela diferença entre ETp e ETr.

DEF = ETp - ETr


A última coluna , de excesso hídrico, é calculada conforme os seguintes critérios:

a)Sempre que P - ETp for negativo, o excesso será igual a 0 (zero) ou, havendo deficiência, não haverá excesso hídrico;



Ano 899 1530 631 - - 0 869

0000148170000

0000

30 161




Ano 899 1530 631 - - 0 869

0000148170000

17099870000000107198

b) Para os demais meses, o excesso será igual ao valor de P - ETp subtraindo o valor da alteração.

EXC = (P-ETp) - ALT

30 161




Ano 899 1530 631 - - 0 869

0000148170000

17099870000000107198

30 161


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