Interceptação
Infiltração
Evaporação e Evapotranspiração
Por
LUCIANO MENESES CARDOSO DA SILVA
Engenheiro Civil
Especialista 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)
Slides próprios e obtidos de Tucci, Porto, Ahy e Freitas.
Interceptação
Conceitos
A interceptação é a retenção de parte da precipitação
A 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 consumo
A 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 vegetal
A 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
Relação interceptação e total
precipitado
Tucci, 2003
Características
O 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 bacia
As 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 interceptação
A 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
Onde
Si = precipitação interceptada;
P = precipitação;
T = precipitação que atravessa
a vegetação;
C = parcela que escoa pelo
tronco das árvores.
Tucci, 2003
Quantificação
Equações empíricas
Si= a + b.Pn
a, b e n = parâmetros
ajustados ao local e Si e
P = precipitação, em
polegadas.
Cobertura
Vegetal
a
b
n
Pomar
"Ash"
"beech"
Carvalho
"maple"
arbustos
pinus
feijão, batata e outras
0,04
0,02
0,04
0,05
0,04
0,02
0,05
0,018
0,018
0,18
0,18
0,18
0,40
0,20
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
0,50
pequenas culturas
pasto
forrageiras
pequenos grãos
milho
0,02h
0,005h
0,01h
0,005h
0,05h
0,15h
0,08h
0,10h
0,05h
0,005h
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
h = altura da planta (em pés)
Tucci, 2003
Exemplo do armazenamento em
escoamento superficial de pequenas
bacias
Tucci, 2003
Desmatamento em São Paulo
Tucci, 2003
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
Alterações dos efeitos da precipitação
com a urbanização
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
43
Subterrânea
Tucci, 2003
Tucci, 2003
Avaliação das alterações
(vazão média)
Antes
de1970
19701990
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
Local
Tucci, 2003
Vazões observadas em Guaíra, rio Paraná (1931 a 1990)
Tucci, 2003
Tucci, 2003
Infiltração
Conceitos
Infiltração: 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 infiltrar
da natureza do solo
do estado da sua superfície
da topografia
das quantidades de água e ar, inicialmente
presentes no seu interior.
Tucci, 2003
Infiltração e percolação
Precipitação
Solo não
saturado
Solo
saturado
Lençol
freático
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 = Ic
Quando 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 precipitação
Algoritmo
de
Berthelot
elimina o problema do item
b
I
Variação da taxa de infiltração
Ii
Inclinação
depende de k
Ib
t (h)
I = Ib + (Ii-Ib).e-k.t
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)
Tucci, 2003
Evaporação
e
Evapotranspiração
Conceitos
A 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
Movimento da molécula de água entre as
superfícies de água e o ar
Vapor de água
Condensação
Vaporização
Água líquida
USP, 2003
Curva de
pressão
de Vapor
da Água
USP, 2003
Movimento da molécula de água entre as
superfícies de água e o ar
Quando as taxas de condensação e
vaporização
evaporação
se
:
igualam
diz-se
que
o
não
há
ar
está
saturado.
USP, 2003
USP, 2003
Evaporação 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 0C
USP, 2003
Transpiração é a parte da
evapotranspiração que vai para
a atmosfera através das plantas
(estômatos)
USP, 2003
As
taxas
transpiração
de
evaporação
e
(evapotranspiração)
são dadas em unidades de altura
divididas por unidade de tempo :
mm/dia, mm/mês...
USP, 2003
Taxas de Evaporação Padrão
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):
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:
Difícil obtenção. Demanda longo tempo de
observação e custa caro
Evapotranspiração potencial:
Obtida a partir de modelos baseados em
leis físicas e relações empíricas de forma
rápida e suficientemente precisa
Há várias teorias que relacionam ambas em função da
disponibilidade de água do solo (umidade). Nenhuma
aceita universalmente
Tucci, 2003
V EIHMEY ER E HENDRICKSON
1.0
ETr
 = EVAPOTRANSPIRAÇÃO RELATIVA
ETp
MUSTONEN E
Mc GUINNESS
0.8
PIERCE
0.6
THORNTWAITE
E MA TTHER
MINHA S ET A L.
0.4
HOLMES E
ROBERTSON
0.2
0.0
0
20
40
60
80
100
C.CAMPO
P. MURCHA
UMIDADE DO SOLO (%)
Resultados de vários estudos mostrando a variação da ET relativa com a Umidade do Solo
Taxas de Evaporação Padrão
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.
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 * E
Kp = 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)
12345-
Balanço de Massas ou Aerodinâmico (Lei de Dalton)
Balanço hídrico (reservatórios)
Balanço de energia (radiação solar)
Fórmula de Penman (baseado em 1 e 3)
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)
0.622* K *  *a *u2
B
2
p *  w *[ln(z2 / z0 )]
2
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 Pa
w = massa específica da água ( 997 kg/m3)
z0 = espessura da camada limite ( ~0.03 cm)
USP, 2003
Equação do balanço hídrico
dV/dt = I - Q - Eo.A + P.A
Variação de
volume
entrada
evaporação
precipitação
saída
USP, 2003
USP, 2003
Esquema de um Lisímetro
USP, 2003
Métodos de estimativa
Baseados na temperatura : Thorntwaitemuito 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/mês
p = 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
Abóbora-seca
Abobrinha
Alface
Alho
Batata
Batata-doce
Berinjela
Beterraba
Brócolos
Cebola
Cenoura
Couve-flor
Ervilha-seca
Ervilha-verde
Feijão-vagem
Grão-de-bico
Lentilha
Mandioquinha-salsa
Melancia
Melão
Milho-doce
Morango
Pepino
Pimentão
Repolho
Tomate indústria
Tomate de mesa
inicial
0.5
0.5
0.7
0.7
0.45
0.5
0.6
0.5
0.7
0.7
0.7
0.7
0.4
0.45
0.7
0.4
0.4
0.5
0.4
0.5
0.4
0.4
0.6
0.55
0.7
0.45
0.6
vegetativo
0.75
0.75
0.85
0.85
0.75
0.8
0.85
0.8
0.85
0.85
0.85
0.85
0.7
0.8
0.85
0.7
0.7
0.75
0.7
0.75
0.8
0.65
0.8
0.8
0.85
0.65
0.85
produção
1
1
1
1.05
1.15
1.15
1.15
1.05
1.05
1.05
1.05
1.05
0.85
1.1
1.05
0.85
0.85
1
1
0.95
1.15
0.85
1
1.05
1.05
0.85
1.15
maturação
0.8
0.8
0.95
0.075
0.75
0.65
0.8
0.95
0.95
0.75
0.95
0.95
0.3
1
0.95
0.3
0.3
0.8
0.75
0.7
1.05
0.75
0.75
0.9
0.95
0.6
0.9