Hidrologia

Interceptação e infiltração

Carlos Ruberto Fragoso Jr.http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj/

Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neveshttp://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 Exercícios

zona de aeraçãoou

zona não saturada

rocha de origem

lençol freático

Ciclo Hidrológico

infiltração escoamentosuperficial

precipitação

evaporação (interceptação)transpiração

evaporação

percolação fluxoascendente

escoamentosub-superficialzona saturada

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.

Condições Climáticas Período do ano

Características da precipitaçãoVegetação

Tipo Densidade Intensidade Volume precipitado Chuva antecedente

Condições climáticas: vento é o mais significativo efeito sazonal

Interceptação vegetalDepende de vários fatores

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

INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo 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

As folhas geralmente interceptam a maior parte da precipitação, mas a disposição dos troncos contribui significativamente

INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo e densidade de vegetação

Espécie e espaçamento

INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo e densidade de vegetação

Floresta Nativa

INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo 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 asdiferentesfases de Crescimentoe colheita

INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo e densidade de vegetação

INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo e densidade de vegetação

Intensidade Volume precipitado

Chuva antecedente

INTERCEPTAÇÃO VEGETALCaracterísticas da Precipitação

Para igual volume precipitado: mais intensidade menos interceptação

Intensidade Volume precipitado

Chuva antecedente

INTERCEPTAÇÃO VEGETALCaracterísticas da Precipitação

Precipitações precedidas por 24h de período seco produzem curva de precipitação-interceptação diferente de ocorrências precedidas por condições úmidas (Blake, 1975)

Em florestas: pequenos volumes(0,3 mm) todo o volume é retidoP > 1mm de 10 a 40% pode ficar retido

INTERCEPTAÇÃO VEGETALCaracterísticas 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

P

Si = P – T - C

CT

Pinterceptada

PrecipitaçãoP que atravessa e vegetação

parcela que escoa pelo

tronco

T throughfall Cstemflow

Pe = T + C

P efetiva

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

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)

- relacionou o volume interceptado durante uma enchente com a capacidade de

interceptação da vegetação e a taxa de evaporação

Fórmulas Conceituais – Horton

Si = Sv+(Av/A).E.tr

Capacidade de armazenamento da vegetação

para a área (mm)

Área da vegetação

Área totalEvaporação da superfície de

evaporação (mm/h)

Duração da precipitação (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)

Cobertura Vegetal a b n Fator de projeção (f)

pomar 0,04 0,018 1,00

carvalho 0,05 0,18 1,00

arbustos 0,02 0,40 1,00

pinus 0,05 0,20 0,50

Feijão, batata e outras pequenas culturas

0,02h 0,15h 1,00h 0,25h

pasto 0,005h 0,08h 1,00 1,00

forrageiras 0,01h 0,10h 1,00 1,00

Pequenos grãos 0,005h 0,05h 1,00 1,00

milho 0,05h 0,005h 1,00 0,10h

f = parcela de vegetação sobre a área de interesse

Os coeficientes, para alguns cultivos, são multiplicados pela altura da planta h em pés

parâmetros ajustados ao local

Fórmulas Conceituais - Equações Empíricas

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 ConceituaisVegetação 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)

Vegetação

• 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

Cobertura Capacidade máxima (mm)

Campo, prado

2,50

Floresta ou mato

3,75

Floresta ou mato denso

5,00

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

Formulação em Modelos Conceituais

Total interceptado reservatório com capacidade máxima Rmax e variável de estado Rt

A precipitação restante é a entrada do algoritmo de separação do escoamento

Formulação em Modelos Conceituais modelo IPH 2

P EP SimNão

EP=EP-PP=0.

EP R

R=R-E

Não Sim

S<0Não

S=0.

Sim

P=P-EP

P>Rmax-R

R=R+PP=0.

Não

P=P-Rmax+RR=Rmax

algoritmo de separaçãodos volumes

Sim

EP=EP-RR=0.S=S-EP.S/Smax

Precipitação (P) x Evapotranspiração potencial (EP)

EP busca outra fonte Rt

P não “deu conta”

EP altera o estado do reservat.

Rt “deu conta”

modelo IPH 2

P EP SimNão

EP=EP-PP=0.

EP R

R=R-E

Não Sim

S<0Não

S=0.

Sim

P=P-EP

P>Rmax-R

R=R+PP=0.

Não

P=P-Rmax+RR=Rmax

algoritmo de separaçãodos volumes

Sim

EP=EP-RR=0.S=S-EP.S/Smax

Precipitação (P) x Evapotranspiração potencial (EP)

EP busca outra fonte Rt

P não “deu conta”

EP retira água do reserv.Altera a umidade S

Rt não “deu conta”

max

max)(S

tSEtEs

modelo IPH 2

P EP SimNão

EP=EP-PP=0.

EP R

R=R-E

Não Sim

S<0Não

S=0.

Sim

P=P-EP

P>Rmax-R

R=R+PP=0.

Não

P=P-Rmax+RR=Rmax

algoritmo de separaçãodos volumes

Sim

EP=EP-RR=0.S=S-EP.S/Smax

Precipitação (P) x EP

EP retira água de PP “deu conta”

Sobrou P eReservatório cheio

P x restante de água no reservat.

modelo IPH 2

P EP SimNão

EP=EP-PP=0.

EP R

R=R-E

Não Sim

S<0Não

S=0.

Sim

P=P-EP

P>Rmax-R

R=R+PP=0.

Não

P=P-Rmax+RR=Rmax

algoritmo de separaçãodos volumes

Sim

EP=EP-RR=0.S=S-EP.S/Smax

EP retira água de PP “deu conta”

P não “deu conta” encheu oReservatório

P x restante de água no reservat.

Precipitação (P) x EPmodelo IPH 2

Armazenamento nas depressões

Armazenamento nas depressõesBacia hidrográfica obstruções naturais e artificiaisO volume nestas áreas somente diminui por evaporação e infiltraçãoBacias com baixa drenagem tendem a ter menor vazão média e maior capacidade de regularização

Pantanal bacia de grande porte onde a vazão se reduz de montante para jusante

Armazenamento nas depressões

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 máximaPe = 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 baseem 4 pequenasBaciasimpermeáveis,indicando umaGrandeCorrelaçãoentre as variáveis

Impactos Antrópicos que afetam a interceptação

Classificação Tipo

Mudança da superfície 1. desmatamento2. reflorestamento3. impermeabilização

O uso da superfície 1. Urbanização2. reflorestamento para exploração sistemática3. desmatamento : extração de madeira, cultura de

subsistência; culturas anuais; culturas permanentes

Método de alteração 1. queimada2. manual3. equipamentos

Impacto na vazão médiaTipo de desmatamento Preparo ou tipo de

plantioÁrea das bacias

haEscoamento anual mm/ano1979 1979-1981

floresta sem alteração 16 0

Desmatamento tradicional plantio direto 2,6 3,0 6,6

limpeza manual sem preparo do solo

3,1 16,0 16,1

limpeza manual preparo convencional

3,2 54,0 79,7

trator com lâminas sem preparo 2,7 86,0 104,8trator tree-pusher sem preparo 3,2 153,0 170,0trator tree-pusher preparo

convencional4,0 250,0 330,6

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

Exercício1. 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!!

• 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

Infiltração

Antes da chuva Depois da chuva

• 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.

Infiltração

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

Vol.

Infiltrado

Prec.

Esc. Superficial

• 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.

Infiltração

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

• 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 no solo

• 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.

Água subterrânea

Composição 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

Parte sólida do solo

Textura 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.

VtVa

v

Porosidade e umidade do solo

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

Porosidade

• 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

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…)

Medição da umidade do solo

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

• 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

Infiltração de água em solos

• 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)

tefcfofcf

Equação de Horton

tefcfofcf

fo = 50 mm/hora fc = 4 mm/hora

Equação de Horton

Infiltração conforme o tipo de solo

Anéis concêntricos

Desenho

Medição da Infiltração

Balanço hídrico no solo

ETGQPV

• V = variação de volume de água armazenada no solo;

• P = precipitação;• Q = escoamento superficial;• G = percolação;• ET = evapotranspiração

• Q = fluxo de água (m3/s)• A = área (m2)• H = carga (m)• L = distância (m)• K = condutividade hidráulica (m/s)

LHAKQ

Fluxo da água em meios porosos saturados

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

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.

ExercícioTempo (min) Total Infiltrado (mm)

0 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