Interceptao e InfiltraoProf. Carlos Ruberto Fragoso Jr.

Prof. Marllus Gustavo F. P. das NevesIHidrologia

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Programa da aula Parte 1 (Interceptao) Ciclo hidrolgico O que interceptao? Fatores que influenciam a interceptao Tipos de interceptao Estimativa da interceptao Exerccios Parte 2 (Infiltrao) O que infiltrao? Capacidade e taxa de infiltrao Fatores que influenciam a infiltrao Estimativa da infiltrao Exerccios

Ciclo Hidrolgicolenol fretico

Conceitos: InterceptaoReteno de parte da precipitao acima da superfcie do solo (Blake, 1975);

Devido a vegetao ou outra forma de obstruo ao escoamento, como depresses do solo;

Retorna para a atmosfera por evapotranspiraco.

Interceptao: conceitosinterfere no balano hdrico da bacia hidrogrfica: funciona como um reservatrio que armazena uma parcela da precipitao para consumo;Tende a reduzir a vazo mdia e a variao da vazo ao longo do ano, retardando e reduzindo o pico das cheias freqentes.

Q (vazo) = P (precipitao) ET (evapotranspirao)

Equao para um perodo longoPara a mesma precipitao a vazo altera em funo da evapotranspirao. A vegetao aumenta a ET devido a Interceptao. Quando retirada, a vazo aumenta.

INTERCEPTAO - GneseInicia a chuvaa gua molha a superfcie das folhas e armazena devido s concavidades e a tenso superficial, retendo certa lmina precipitada;Se continuar (a chuva) a capacidade de interceptao ultrapassada;Toda a gua que chega s folhas e caules escoa;Evaporao (simultnea interceptao) partir das folhas midas;O vento acelera o processo de evaporao, aumentando as perdas por interceptao. Se for muito intenso (o vento), pode provocar reprecipitaoA precipitao atinge o solo: a) atravessando a vegetao (em mdia 85% da precipitao inicidente); (b) atravs dos troncos (1 a 2% precipitao). A diferena a interceptao.

INTERCEPTAO VEGETAL: funo deCondies ClimticasPerodo do anoCondies climticas: vento o mais significativo efeito sazonal

INTERCEPTAOA interceptao depende de um modo geral:

Intensidade da chuva Maior intensidade, menor interceptao (Blake, 1975).rea vegetada ou urbanizada (Av) Maior a rea Av, maior o volume da interceptao.Caracterstica da vegetao, dos prdios ou dos obstculos (residncias, edificaes, etc) Maior o tamanho das folhas, maior a capacidade de armazenamentoO volume interceptado retorna para a atmosfera por evaporao, aps a ocorrncia da chuva.

INTERCEPTAO VEGETALTipo e densidade de vegetao-caracteriza a quantidade de gotas que cada folha pode reter-a densidade de folhas pode indicar o volume retido numa superfcie de bacia

INTERCEPTAO VEGETALTipo e densidade de vegetaoAs folhas geralmente interceptam a maior parte da precipitao, mas a disposio dos troncos contribui significativamente

INTERCEPTAO VEGETALTipo e densidade de vegetaoEspcie e espaamento

INTERCEPTAO VEGETALTipo e densidade de vegetaoFloresta Nativa

INTERCEPTAO VEGETALTipo e densidade de vegetao-sazonalidade-a poca do ano pode caracterizar alguns tipos de cultivos que apresentam as diferentes fases de crescimento e colheita

INTERCEPTAO VEGETALTipo e densidade de vegetao

INTERCEPTAO VEGETALCaractersticas da Precipitao

intensidade, volume precipitado e chuva antecedentePequenos volumes (0,3 mm) todo o volume retidoPrecipitaes superiores a 1mm: de 10 a 40% pode ficar retido intensidade interceptao (para igual volume precipitado)Precipitaes precedidas por 24h de perodo seco produzem curva de precipitao-interceptao diferente de ocorrncias precedidas por condies midas (Blake, 1975)

INTERCEPTAO VEGETALCaractersticas da Precipitaoas perdas por interceptao vegetal podem chegar at a 25% da precipitao anual (Linsley et. al, 1949)Em regies midas e com florestas Panual~2000mm), a interceptao anual pode chegar a 250mm (Patric, citado por Wighan, 1970)As depresses do solo ou a baixa capacidade de drenagem podem provocar o armazenamento de grandes volumes de gua a Q da bacia. No rio Paraguai observa-se em alguns trechos que a Q mdia diminui para jusante devido ao aumento das reas de inundao que represam parte do volume a montante.

INTERCEPTAO NO PANTANAL

Relao Interceptao x total interceptado

Quantificao: Equao de continuidade do sistema de interceptaoSi=P-T-CPCT

Quantificao: Medio das variveisPrecipitao: postos em clareiras, topo das rvores

H alta correlao entre a precipitao das clareiras e a do topo das rvores (Blake, 1972)

Precipitao que atravessa as rvores: drenagem especial colocada abaixo das rvores e distribuda de forma representativa: Helvey e Patric citados por Wigham (1970):

necessrio utilizar cerca de 10 vezes mais equipamentos para a medio da precipitao que atravessa a vegetao do que para a precipitao total

Escoamento pelos troncos: apresenta uma parcela pequena do total precipitado (de 1 a 15%) em muitos casos est dentro da faixa de erros de amostragem das outras variveis. A medio s vivel para vegetao com tronco de magnitude razovel

Frmulas ConceituaisHorton (1919);Merian (1960); Equaes Empricas

Frmulas Conceituais Horton -relacionou o volume interceptado durante uma enchente com a capacidade de interceptao da vegetao e a taxa de evaporao

-Limitaes: nela a interceptao independente da precipitao-A capacidade de armazenamento deve ser preenchida, o que necessariamente no ocorre

Frmulas Conceituais - Merian (1960)Introduziu a precipitao (P) na equao original de Horton, usando a expresso 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 equao 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 adotado constante. Isto significa que a relao entre E e P constante, o que no ocorre necessariamente durante uma tempestade.

Frmulas Conceituais - Equaes EmpricasUso de equaes de regresso relacionando as principais variveis e ajustadas a diferentes tipos de dados. So vrias

Si = a + b.Pn

Onde: a, b e n = parmetros ajustados ao local e Si e P=precipitao (em polegadas)Essa equao usada para eventos.Para a estimativa do volume total interceptado (interceptao mdia da rea):fator de projeo (f) x Si

Normalmente so utilizadas verses lineares desta equao,o que simplifica ainda mais o problema, j que a expresso no leva em conta a intensidade luminosa, umidade antecedente, velocidade do vento, entre outros fatores.

Valores dos Parmetros apresentados por Horton (segundo Wighan, 1970)f = parcela de vegetao sobre a rea de interesseOs coeficientes, para alguns cultivos, so multiplicados pela altura da planta h em psEquaes de regresso relacionando as principais variveis e ajustadas a diferentes tipos de dados. Si = a + bp.nSi e P=precipitao (em polegadas)Para a estimativa do volume total interceptado utiliza-se o fator de projeo f que multiplicado ao valor de Si, para se obter a interceptao mdia da rea. parmetros ajustados ao local

Formulao em Modelos ConceituaisVegetao como um reservatrio com capacidade mxima de acordo com o tipo de coberturaanalise do processo de transformao de P em Q dentro de uma viso macroespacial das bacias. a interceptao, em grande parte das bacias, durante as enchentes tem um peso relativo pequeno, perto dos demais processos. Em bacias onde a vegetao tem peso significativo e deseja-se estudar o comportamento da retirada ou acrscimo da cobertura de vegetao, necessrio retratar este processo com maior detalhe.

Crawford e Linsley (1966) utilizaram este critrio no modelo Stanford IV e sugeriram os valores da tabela a seguir para a capacidade mxima do reservatrio de interceptao em funo da cobertura vegetal

Armazenamento nas depressesLinsley et al. (1949) utilizou a seguinte expresso emprica para retratar o volume retido pelas depresses do solo aps o incio da precipitao

Vd=Sd (1-e-k.Pe)

Onde: Vd=volume retidoSd=capacidade mximaPe=precipitao efetivaK=coeficiente equivalente a 1/Sd

admite-se que no incio da precipitao as depresses esto vazias e para gerar escoamento superficial necessrio que as depresses estejam preenchidas. So aproximaes do comportamento real j que o escoamento superficial ocorre sem que as depresses sejam todas preenchidasHickis (1944) indicou valores de 0,10 polegadas para solos argilosos e 0,20 polegadas para solos arenosos. Viessman (1967)apresentou uma relao entre capacidade das depresses e declividade do solo obtida com base em quatro pequenas bacias impermeveis, indicando uma grande correlao entre as variveis

ARMAZENAMENTO NAS DEPRESSES

Armazenamento em escoamento superficial de pequenas bacias

Impactos Antrpicos que afetam a interceptao

Impacto na vazo mdia

Alteraes da precipitao com o desmatamento albedo. A floresta absorve maior radiao de onda curta e reflete menos;

flutuaes da temperatura

tenso de vapor das superfcies das reas 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 condies de funcionamento da atmosfera

ExerccioA Mata do Buraquinho (cujo nome oficial Jardim Botnico Benjamim Maranho) abrange uma rea de 515 ha. A mata, que tem um formato parecido com um corao, est encravada no centro geogrfico da capital do estado da Paraba, a cidade de Joo Pessoa, cuja precipitao mdia de 1500 mm/ano e a evaporao 3,0 mm/dia.Porm, no dia 18 de junho de 2004, ocorreu um evento de chuva diferente, que apresentou uma altura de precipitao de 114,6 mm, em 24 h. Portanto, quanto foi o volume interceptado neste dia pela mata do Buraquinho?

ExerccioA partir do evento ocorrido em Joo Pessoa, mostrado no exerccio anterior, qual seria o armazenado nas depresses, da bacia hidrogrfica onde ocorreu o evento.Descrio do evento:No dia 18 de junho de 2004, ocorreu um evento de chuva diferente, que apresentou um nvel de precipitao de114,6mm, que durou 24hs.Supondo que a capacidade mxima da bacia de 0,15 polegadas, e que o Rendimento da bacia igual a 80% .

Coffee Break!!

Passagem da gua atravs da superfcie do solo, ocupando os poros (volume de vazios) existentes no solo.Importante para:crescimento da vegetaoabastecimento dos aquferos(mantm vazo dos rios durante as estiagens)reduzir escoamento superficial, cheias, erosoINFILTRAO

Processos difceis de quantificarFsica no muito complicada, mas fortemente dependente da variabilidade espacial das propriedades do solo.Estimativas por equaes empricas ajustadas para reproduzir dados medidos no campo.Infiltrao

um fenmeno que depende:Da gua disponvel para infiltrarDa natureza do soloDo estado da superfcieDas quantidades de gua e ar, inicialmente presentes no soloInfiltrao

O processo de infiltrao define a entrada de gua no solo.

J o movimento da gua dentro do perfil comumente referido como percolaoInfiltrao

Enquanto h aporte de gua, o perfil de umidade tende saturao em toda a profundidade, sendo a superfcie, naturalmente, o primeiro nvel a saturar.

Quando o aporte de gua superfcie cessa (precipitao para), isto , deixa de haver infiltrao, a umidade no interior do solo se redistribui, evoluindo para um perfil de umidade inverso, com menores teores de umidade prximo superfcie e maiores nas camadas mais profundas.Infiltrao

InfiltraoAntes da chuvaDepois da chuva

A infiltrao da gua no solo pode ser considerada como sendo a sequncia das trs seguintes fases:A entrada da gua pela superfcie;A percolao da gua atravs do perfil do solo;A relao da capacidade de armazenamento da gua no solo.Infiltrao

Capacidade de infiltrao (ou taxa de infiltrao)Capacidade de infiltrao a quantidade mxima de gua que um solo em determinadas condies pode absorver. Ela varia no decorrer da chuva.Se uma precipitao atinge o solo com a uma intensidade menor que a capacidade de infiltrao toda a gua penetra no solo, provocando uma progressiva diminuio da prpria capacidade de infiltrao, j que o solo est se umedecendo.

Capacidade de infiltrao e taxa de infiltraoVol.InfiltradoPrec.Esc. Superficial

Quando cessa a infiltrao, parte da gua no interior do solo propaga-se para camadas mais profundas no solo e parte transferida para a atmosfera por evaporao direta ou por transpirao dos vegetais. Esse processo faz com que o solo v recuperando sua capacidade de infiltrao, tendendo a um limite superior medida que as camadas superiores do solo vo se tornando mais secas.Infiltrao

Fatores que intervm na infiltrao1-Permeabilidade do solo: Por exemplo a presena de argila no solo diminui sua porosidade, no permitindo uma grande infiltrao.

2-Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegetao mais permevel do que um solo desmatado.3-Inclinao do terreno: em declividades acentuadas a gua corre mais rapidamente, diminuindo o tempo de infiltrao.

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

5- Umidade do Solo: Por exemplo em um solo mais mido a infiltrao menor do que um solo mais seco.

6- TemperaturaEscoamento no solo laminar (tranqilo) em funo da viscosidade da gua. Quanto maior a temperatura maior a infiltrao de gua no solo

O solo uma mistura de materiais slidos, lquidos e gasosos. Na mistura tambm encontram-se muitos organismos vivos (bactrias, fungos, razes, insetos, vermes)

gua no solo

Na mistura tambm encontram-se muitos organismos vivos (bactrias, fungos, razes, insetos, vermes)

figura extrada de Para entender a Terra (Press et al. XXXX)

gua no solo

gua subterrneaRefere-se a gua contida na zona de saturao.

Esta gua subsuperficial contitui a maior reserva de gua doce disponivel, muitas vezes maior do que todos os rios, lagos e reservatrios.

Composio do solo

Normalmente analisada do ponto de vista do dimetro das partculas que compe o solo:

Parte slida do solo

Dimetro (mm)Classe0,0002 a 0,002Argila0,002 a 0,02Silte0,02 a 0,2Areia fina0,2 a 2,0Areia grossa

Textura do solo

Relao entre volume de vazios e volume total do soloPoros so ocupados por ar e guaContedo de umidade do solo:Mximo contedo de umidade igual porosidade.Neste caso o solo est SATURADO de gua.Porosidade e umidade do solo

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

Porosidade

Umidade do solo varia ao longo do tempo.Para retirar a umidade do solo:Por gravidadePor suco

Umidade do solo

Saturao: condio em que todos os poros esto ocupados por guaCapacidade de campo: Contedo de umidade no solo sujeito fora da gravidadePonto de murcha permanente: umidade do solo para a qual as plantas no conseguem mais retirar gua e morremUmidade do solo

Mtodo gravimtrico:Coleta amostra e pesaSeca a amostra e pesaTDRTime domain reflectometryExiste uma relao entre o contedo de umidade e a constante dieltrica do solo. Mede o tempo de transmisso de um pulso eletromagntico atravs do solo, entre um par de placas metlicas colocadas no solo. Permite medies contnuas e no destrutivasOutros (nuclear, sensoriamento remoto)Medio da umidade do solo

Condutividade de gua em condio de saturaoSolo arenoso: 23,5 cm/horaSolo siltoso: 1,32 cm/horaSolo argiloso: 0,06 cm/hora

Inicialmente no saturadosPreenchimento dos poros garante alta taxa de infiltraoA medida que o solo vai sendo umedecido, a taxa de infiltrao diminuiEquaes empricas

Infiltrao de gua em solos

f = taxa de infiltrao (mm/hora)fc = taxa de infiltrao em condio de saturao (mm/hora)fo = taxa de infiltrao inicial (mm/hora)t = tempo (minutos) = parmetro que deve ser determinado a partir de medies no campo (1/minuto)Equao de Horton

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

Infiltrao conforme o tipo de solo

Anis concntricos

DesenhoMedio da Infiltrao

V = variao de volume de gua armazenada no solo;P = precipitao;Q = escoamento superficial;G = percolao;ET = evapotranspirao Balano hdrico no solo

Q = fluxo de gua (m3/s)A = rea (m2)H = carga (m)L = distncia (m)K = condutividade hidrulica (m/s)Fluxo da gua em meios porosos saturados

Considere uma camada de solo de 1 m de profundidade cujo contedo de umidade 35% na capacidade de campo e de 12% na condio de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspirao constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura? Exerccio

Uma camada de solo argiloso, cuja capacidade de infiltrao na condio de saturao de 4 mm.hora-1, est saturado e recebendo chuva com intensidade de 27 mm.hora-1. Qual o escoamento (litros por segundo) que est sendo gerado em uma rea de 10m2 deste solo, considerando que est saturado? Exerccio

Uma medio de infiltrao utilizando o mtodo dos anis concntricos apresentou o seguinte resultado. Utilize estes dados para estimar os parmetros fc, fo e da equao de Horton.Exerccio

Tempo (min)Total Infiltrado (mm)00,0141,5260,4370,4476,0582,6690,8797,18104,09111,710115,115138,120163,324180,8

Captulo 06b*