CC54Z - Hidrologia

Evaporação e evapotranspiração

Prof. Fernando Andrade

Curitiba, 2014

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

• Definir os conceitos básicos da

evaporação e evapotranspiração

• Definir as variáveis meteorológicas que

influenciam na evapotranspiração

• Calcular a evaporação em lagos e

reservatórios

• Aprender a medição e cálculo de

evaporação e de evapotranspiração

Objetivos da aula

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Conceitos fundamentais da evaporação e da

evapotranspiração

Definições gerais

• Evaporação: processo pelo qual se transfere água do solo e das massas líquidas para a atmosfera. No caso da água no planeta Terra ela ocorre nos oceanos, lagos, rios e solo

• Transpiração: processo de evaporação que ocorre através da superfície das plantas. A taxa de transpiração é função dos estômatos, da profundidade radicular e do tipo de vegetação

• Evapotranspiração: processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera através da evaporação e da transpiração

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Evaporação

• Evaporação ocorre quando o estado líquido da água é transformado de líquido para gasoso

• As moléculas de água estão em constante movimento, tanto no estado líquido como gasoso

• Na interface entre a água e atmosfera, algumas moléculas da água líquida tem energia suficiente para romper a barreira da superfície, entrando na atmosfera, enquanto algumas moléculas de água na forma de vapor do ar retornam ao líquido, fazendo o caminho inverso

• Quando a quantidade de moléculas que deixam a superfície é maior do que a que retorna está ocorrendo a evaporação

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Balanço de energia e

evaporação

Calor latente de evaporação, l (MJ/kg)

6 Ts002361,0501,2 l

[2]

Condições para ocorrer a

evaporação

• A água líquida deve receber energia para

prover o calor latente de evaporação. Esta

energia pode ser recebida por radiação ou

por convecção

• O ar acima da superfície líquida não deve

estar saturado de vapor de água (pois se o

ar estiver saturado será impossível a

transformação de água líquida em vapor)

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Variáveis meteorológicas

• As principais variáveis meteorológicas que

influenciam a evaporação são:

• Temperatura

• Umidade do ar

• Radiação solar

• Velocidade do vento

• Tipo do solo, tipo da vegetação, tamanho

do espelho de água, etc.

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Temperatura

• Quanto maior a

temperatura,

maior é a

concentração de

saturação do

vapor de água no

ar. Isto é, maior é

a capacidade do

ar de receber

vapor

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Umidade do ar

• Umidade relativa: medida do conteúdo de vapor de água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar teria se estivesse saturado

onde w é a massa de vapor pela massa de ar e ws é a massa de vapor pela massa de ar no ponto de saturação

10

sw

w.100UR

Radiação solar

• A intensidade da evaporação depende da disponibilidade de energia fornecida pela radiação solar

• Regiões mais próximas ao Equador recebem maior radiação solar e apresentam maiores taxas de evapotranspiração

• Em dias de céu nublado a radiação solar é refletida pelas nuvens e não chega a superfície, reduzindo a energia disponível para a evapotranspiração [1,2,3]

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Intensidade do vento

• O vento renova o ar em contato com a superfície que está evaporando (superfície da água, superfície do solo ,superfície da folha da planta)

• Os ventos intensos possibilitam uma rápida transferência de vapor para regiões mais altas da atmosfera

• Desta forma a umidade próxima à superfície será menor, aumentando a taxa de evaporação

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Medição e cálculo de evaporação e de

evapotranspiração

Medição de evaporação

• A evaporação é medida de forma semelhante à precipitação e a infiltração, ou seja, utilizando unidades de comprimento para caracterizar a lâmina evaporada ao longo de um determinado intervalo de tempo (i.e., mm/h, mm/ano, etc.)

• A forma mais comum de medir a evaporação é mediante o uso de um Tanque Classe A

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Tanque Classe A

• Tanque circular com diâmetro de cerca de

121 cm e profundidade de 25,5 cm.

Construído em aço ou ferro galvanizado,

pintado na cor alumínio e instalado numa

plataforma de madeira a 15 cm da superfície

do solo. Deve permanecer com água

variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior

• A medição de evaporação no Tanque Classe

A é realizada diariamente numa régua, ou

ponta linimétrica, instalada dentro do tanque

15

Tanque Classe A

16

Evaporação em lagos e

reservatórios

• A criação de um reservatório cria uma grande

superfície líquida que disponibiliza água para

evaporação (aumenta o potencial de

evaporação), que pode ser considerado

como uma perda de água e de energia

• A evaporação da água de reservatórios pode

ser significativa, ao ponto de modificar o

rendimento de reservatórios para

abastecimento, irrigação e geração de

energia

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Evaporação em lagos e

reservatórios

• A evaporação da água em reservatórios

pode ser estimada a partir de medições de

Tanques Classe A

• É necessário aplicar um coeficiente de

redução em relação às medições de

tanque

onde Ft é um fator de redução que varia

de 0,6 a 0,8 18

tquelago FEE tan

Sobradinho: um rio de

água para a atmosfera

• O reservatório de Sobradinho no rio São Francisco possui uma área superficial de 4.214 km2, sendo o maior lago artificial do mundo, localizado numa das regiões mais secas do Brasil

• Em consequência disso, a evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m3/s, o que corresponde a cerca de 10% da vazão regularizada do rio São Francisco

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Lago de Sobradinho

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Exemplo 1

• Um rio cuja vazão média é de 34 m3/s foi

represado por uma barragem para

geração de energia elétrica. A área

superficial do lago criado é de 5000 ha.

Medições de evaporação de um tanque

classe A correspondem a 1500 mm por

ano. Calcule a nova vazão média a

jusante da barragem após a formação do

lago.

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Evapotranspiração

• Potencial: é a evaporação do solo somada a transpiração das plantas máxima que pode ser transferida para atmosfera (é obtida com base em condições climáticas idealizadas)

• Real: é a evaporação do solo somada a transpiração das plantas que ocorre de acordo com a disponibilidade hídrica existente e as características das plantas em uma dada região

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Medição de

evapotranspiração

• Lisímetro: tanques enterrados, abertos na parte superior, preenchidos com o solo e a vegetação características dos quais se deseja medir a evapotranspiração

• A evapotranspiração é calculada pelo balanço hídrico do lisímetro

E=P-Qs-Qb-DV • Os valores de precipitação (P), escoamento

superficial e subterrâneo (Qs e Qb) e o armazenamento de água (DV) são medidos diariamente

23

Lisímetro

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Balanço hídrico

• A evapotranspiração também pode ser

calculada considerando valores médios de

escoamento e precipitação de um período

muito longo

P=Q+E

• Estimativas somente podem ser realizadas

considerando o intervalo de tempo anual

ou maior

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Exemplo 2

• Uma bacia de 10 km2 recebe anualmente

1600 mm de chuva e a vazão média anual

corresponde a 700 mm. Considerando

solo impermeável, estime a evaporação

anual em mm e m3/s usando o balanço.

Calcule o coeficiente de escoamento

dessa bacia.

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Cálculo da

evapotranspiração

• A evapotranspiração também pode ser calculada por uma série de equações disponíveis na literatura, baseadas em temperatura, radiação e umidade

• As equações são de natureza empírica e de base física (baseada em balanço de energia)

• As duas equações mais utilizadas são a equação de Thornthwaite e de Penman-Monteith

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Equação de Thornthwaite

onde E é a evapotranspiração mensal em mm , T é a temperatura média do mês de interesse em graus Celcius, a é um parâmetro que depende da região e I é um índice de temperatura em função da temperatura dos j meses

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a

I

TE

1016

12

1

514.1

5j

jTI

49239.010792.11071.71075.6 22537 IIIa

Exemplo 3

• Calcule a evapotranspiração potencial mensal com a equação de Thornthwaite para o mês de agosto de 2006 em Porto Alegre onde as temperaturas médias mensais são dadas na tabela ao lado

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Equação de Penman -

Monteith

30

W

a

s

a

dspAL

r

r

r

eecGR

El

D

D

1

1

água da específica massa a é ][kg.m

ar do específica massa a é ][kg.m

solo o para energia de fluxo o é ]s.[MJ.m

superfície na líquida radiação a é ]s.[MJ.m

vapordo saturação de pressão da variaçãode taxaa é ]C[kPa.

ão vaporizaçde latentecalor o é ][MJ.kg

água da evaporação de taxaa é ][m.s

3-

3-

1-2-

1-2-

1-

1-

-1

W

A

L

G

R

E

l

D

caaerodinâmi aresistênci a é ]s.m[

vegetaçãoda lsuperficia aresistênci a é ]s.m[

0,66)( icapsicrométr constante a é ]C[kPa.

vapordo pressão a é ][kPa

vapordo saturação de pressão a é ][kPa

úmidoar do específicocalor o é ]C.[MJ.kg C

1-

1-

1-

-1-1

p

a

s

s

s

r

r

e

e

Equação de Penman -

Monteith

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• UR é a umidade relativa do ar;

• PA é a pressão atmosférica (kPa);

• T é a temperatura do ar a 2 m da superfície (oC)

• um,10 é a velocidade do vento a 10m de altura

• z0 é a rugosidade da superfície (1/10 da altura média da vegetação)

Referências bibliográficas

[1] VILLELLA, S. M., MATTOS, A.. Hidrologia aplicada. São Paulo. Editora McGraw Hill do Brasil, 1975

[2] TUCCI, C. E. M.. Hidrologia: ciência e aplicação. Porto Alegre. Editora da Universidade, 4 ed. 2009

[3] PINTO, N. et al.. Hidrologia básica. São Paulo. Editora Edgard Blucher, 1976