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