Hidrologia Evapotranspiração Carlos Ruberto Fragoso Jr. http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj/ Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neves http://www.ctec.ufal.br/professor/mgn/ Ctec - Ufal Evapotranspiração • Conceito Geral • Fatores que afetam a evapotranspiração • Medição da evaporação • Evaporação em lagos e reservatórios • Estimativa da evapotranspiração – Medição – Cálculo Conceito Geral - Evapotranspiração Evaporação (E) – Taxa de conversão da água líquida em vapor, água esta presente nos oceanos, lagos, rios e solo Transpiração (T) – parte do total evaporado para a atmosfera proveniente do solo, através das plantas Definições Vapor d’água moléculas 10 vezes mais distantes umas das outras que na fase líquida Calor latente de vaporização da água Energia requerida para separá-las λ 2,501 0,002361 T em MJ.kg-1 T temperatura na superfície da água em ºC Definições Evaporação natural trocas de moléculas de água entre o ar e a superfície livre E diferença entre duas taxas: taxa de vaporização (função da temp.) e taxa de condensação (determinada pela pressão de vapor) Diferença nula ar saturado (equilíbrio) 17,27 T em kPa eS 0,6108 exp 237,3 T T é a temperatura em ºC Definições Tão importante quando es é o seu gradiente D = des/dT 4098 es Δ 2 237,3 T em kPa.C-1 Calor sensível parte da energia radiante que atinge a superfície da terra que não é utilizada para E aquece a atmosfera em contato com o solo movimento ascendente H fluxo de calor sensível (fluxo de calor por unidade de área) Transpiração no Sistema Solo Planta Atmosfera Evapotranspiração (ET) Processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera através da evaporação (E) e da transpiração (T). ET E T Potencial (ETP) Real (ETR) Transpiração no sistema solo planta atmosfera Transpiração das raízes às folhas, pelo sistema condutor, pelo estabelecimento de um gradiente de potencial desde o solo até o ar proporcional à resistência ao fluxo da água na planta Local de maior resistência ao fluxo O gradiente de tensão de vapor de água também favorece o fluxo Quanto mais seco estiver o ar (menor umidade relativa), maior será esse gradiente Definições ETP Quant. de água transferida para a atmosfera por E e T, em uma unidade de tempo, de uma superfície extensa, completamente coberta de vegetação de porte baixo e bem suprida de água (Penman,1956) ETR Quant. de água transferida para a atmosfera por E e T, nas condições reais (existentes) de fatores atmosféricos e umidade do solo. A ETR é igual ou menor que a evapotranspiração potencial (Gangopadhyaya et al, 1968) Fatores que afetam • Radiação solar •Umidade do ar • Temperatura do ar • Velocidade do vento •Tipo de solo • Vegetação (transpiração) Radiação Solar 30% 70% 26% 19% 4% ar quente 51% + 19% = 70% evaporação Radiação Solar Radiação no topo da atmosfera (Stop) a.Ssup RL Ssup St (Ssup) Radiação incidente n SSUP as bs STOP N Stop a albedo RL SSUP (1 α) Radiação Solar Radiação Solar SSUP n as bs STOP N MJ.m-2.dia-1 N insolação máxima possível em horas n isolação medida em horas a fração de atinge a superfície em dias encobertos (quando n=0) b fração de atinge a superfície em dias sem nuvens (quando n = N) Radiação Solar • Quando não existem dados locais medidos que permitam estimativas mais precisas, são recomendados os valores de 0,25 e 0,50, respectivamente, para os parâmetros as e bs; • Quando a estação meteorológica dispõe de dados de insolação, a equação acima é utilizada com n medido e N estimado pela equação. Quando a estação dispõe de dados de fração de cobertura, utiliza-se o valor de n/N diretamente Ln para a superfície ondas longas para a atmosfera Radiação Solar Ln radiação líquida de ondas longas que deixa a superfície terrestre Ln f ε σ (T 273,2) 4 Radiação Solar Ln f ε σ (T 273,2) 4 MJ.m-2.dia-1 f fator de correção devido à cobertura de nuvens T [ºC] temperatura média do ar a 2 m do solo emissividade da superfícies s constante (σ = 4,903.10-9 MJ.m-2.ºK-4.dia-1) Balanço por unidade de área Fluxo de calor sensível RL Radiação líquida (ondas curtas) Energia usada na evaporação Arm. temp. Ad Adi Ado Perda associada com o mov. do ar Energia absorvida por processos bioquímicos Calor transferido para o solo por condução Balanço por unidade de área MJ.m-2.dia-1 RL A energia disponível para calor latente e para o calor sensível Geralmente negligenciados A = lE+H A = RL – G – S – P - Ad lE + H = RL – G – S – P - Ad Geralmente 2% de RL Balanço por unidade de área Condução principal mecanismo de transferência de calor para o solo Para flutuações diárias de temperatuta (prof. efetiva de um solo típico igual a 0,18 m) G 0,38 Td T3d • Td é a temperatura do solo no dia que se deseja calcular a ET • T3d é a temperatura do solo 3 dias antes Por simplicidade, G pode ser considerado nulo Temperatura • Quanto maior a temperatura, maior a pressão de saturação do vapor de água no ar, isto é, maior a capacidade do ar de receber vapor • Para cada 10oC, P0 é duplicada Temperatura (oC) P0 (atm) 0 10 20 30 0,0062 0,0125 0,0238 0,0431 Umidade do Ar Umidade relativa (UR) medida do conteúdo de vapor de água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar teria se estivesse saturado w UR(%) 100 ws e UR(%) 100 es Onde w massa de vapor por massa de ar e ws é a massa de vapor por massa de ar no ponto de saturação e pressão parcial de vapor no ar e es é pressão de saturação Vento • Renova o ar em contato com a superfície que está evaporando (superfície da água; superfície do solo; superfície da folha da planta) • Vento forte turbulência maior transferência para regiões mais altas da atmosfera mais rápida umidade próxima à superfície menor aumenta taxa de E Vento remove ar úmido da superfície onde ocorre ET menos umidade mais ET Vegetação e solo • A vegetação: o Controla a transpiração o Pode agir fechando os estômatos o Busca a umidade de camadas profundas do solo • Umidade do solo uma das variáveis mais importantes na transpiração o Solo úmido plantas transpiram livremente taxa de transpiração controlada pelas variáveis atmosféricas o Solo começa a secar fluxo de transpiração começa a diminuir o Condições ideais de umidade do solo ETP o Condições reais de umidade do solo ETR • Solos arenosos úmidos tem evaporação maior do que solos argilosos úmidos Determinação da evaporação e da ET Evaporação Relação entre a evaporação e a pressão de vapor, com a introdução do efeito do vento Leva em conta a radiação solar: efetiva de ondas curtas, efetiva de ondas longas, a energia de evaporação, calor sensível por condução, características aerodinâmicas método de Penman Ajuste por regressão das variáveis envolvidas Medida direta tanque classe A, ... Baseia-se na equação da continuidade do lago ou reservatório Evapotranspiração Lisímetros e umidade do solo ETP Método de thornthwaite, método de Blaney-Criddle. Para determinar ET ET = ETP .kc, onde kc coeficiente de cultura (determinado em lisímetros) Baseados na variável meteorológica radiação. Equação de Jesen e Haise, ... Chamada de equação de Penman adaptar o cálculo da evaporação de superfícies livres para a superfície de interesse ETP Para intervalos de tempo superiores a 1 semana Evaporímetros medição direta • Tanque classe A • Evaporímetro de Piché Tanque Classe A • O mais usado forma circular com um diâmetro de 121 cm e profundidade de 25,5 cm • Construído em aço ou ferro galvanizado • Pintado na cor alumínio • Instalado numa plataforma de madeira a 15 cm da superfície do solo • Permanecer com água variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior Tanque classe A Tanque "Classe A" – US Weather Bureau • O fator que relaciona a evaporação de um reservatório e do tanque classe A oscila entre 0,6 e 0,8, sendo 0,7 o valor mais utilizado Tanque classe A Fonte : Sabesp Tanque classe A Tanque classe A Tanque classe A • manutenção da água entre as profundidades recomendadas evita erros de até 15% • a água deve ser renovada turbidez evita erros de até 5% • as paredes sofrem com a influência da radiação e da transferência de calor sensível superestimação da evaporação • próximos a cultivos de elevada estatura subestimação da evaporação Evaporímetro de Piché Constituído por um tubo cilíndrico, de vidro (≈ 30 cm) de comprimento e um 1 cm de diâmetro, fechado na parte superior e aberto na inferior A extremidade inferior tapada, depois do tubo estar cheio com água destilada, com um disco de papel de feltro, de 3 cm de diâmetro, que deve ser previamente molhado com água Este disco é fixo depois com uma mola. A seguir, o tubo é preso por intermédio de uma argola a um gancho situado no interior do abrigo Evaporímetro de Piché • Piché é pouco confiável Estimativa da evapotranspiração • Medição (mais complicada) • Cálculo Lisímetros medição direta • Lisímetro – Depósitos enterrados, abertos na parte superior, preenchidos com solo e vegetação característica – Controle das variáveis: • • • • • Peso Medir chuva Coletar água percolada Coletar água escoada Superfície homogênea Lisímetros medição direta Precipitação no solo drenagem para o fundo do aparelho água é coletada e medida O depósito é pesado diariamente, assim como a chuva e os volumes escoados de forma superficial e que saem por orifícios no fundo ET calculada por balanço hídrico entre 2 dias subseqüentes ET = P - Qs – Qb – ΔV E evapotranspiração P chuva (medida num pluviômetro) Qs escoamento superficial (medido) Qb é o escoamento subterrâneo (medido no fundo do tanque) ΔV variação de volume de água (medida pelo peso) Lisímetros medição direta Lisímetros medição direta Lisímetros medição direta http://jararaca.ufsm.br/websites/matasulufsm/1ca53f95af2a6c15feea202899377cc9.htm Mais Equações de cálculo da ET • Usando a temperatura e a umidade do ar • Usando a temperatura e a radiação solar • Equações de Penmann (insolação, temperatura, umidade relativa, velocidade do vento) Métodos baseados na temperatura e radiação • Jensen Haise, Turc, Grassi, Stephens – Stewart, Makkink, Blaney-Morin, Hamon, Hargreaves, Papadakis • Estimação a partir da temperatura somente é recomendada se não houver outra opção equação de Hargreaves provoca erros da ordem de 10 a 15% Blaney-Criddle diminui estes erros Cálculo da ETP baseado na temperatura Thornthwaite: empírica, caracterizada por um único fator, a temperatura média. Foi desenvolvida para climas temperados (inverno úmido e verão seco) E = c.Ta t = temperatura de cada mês ºC T = temperatura média ºC Blaney-Criddle: também utiliza a temperatura média e horas do dia com insolação, para regiões semi-áridas ETP=(0,457.T + 8,13).p ET = ETP.kc p = % luz diária kc = é o coeficiente de cultura. Cálculo da ETP baseado na temperatura Thornthwaite 10 T ET 16 I a Para estimar evapotranspiração potencial mensal T = temperatura média do mês (oC) a = parâmetro que depende da região I = índice de temperatura Tj I j1 5 12 1,514 j cada um dos 12 meses do ano Tj temperatura média de cada um dos 12 meses a 6,75107 I3 7,71105 I2 1,792102 I 0,49239 Exemplo Calcule a evapotranspiração potencial mensal para o mês de Agosto de 2006 em Porto Alegre onde as temperaturas médias mensais são dadas na figura abaixo. Suponha que a temperatura média de agosto de 2006 tenha sido de 15,3°C Mês Temperatura Janeiro 24,6 Fevereiro 24,8 Março 23,0 Abril 20,0 Maio 16,8 Junho 14,4 Julho 14,6 Agosto 15,3 Setembro 16,5 Outubro 17,5 Novembro 21,4 Dezembro 25,5 Exemplo O primeiro é o cálculo do coeficiente I a partir das temperaturas médias obtidas da tabela. O valor de I é 96. A partir de I é possível obter a= 2,1. Com estes coeficientes, a evapotranspiração potencial é: 10 16,5 E 16 96 2,1 53,1 mm/mês Portanto, a evapotranspiração potencial estimada para o mês de agosto de 2006 é de 53,1 mm/mês. Equações combinadas • • • • Penman evaporação Christiansen Van Bavel Penman - Monteith ampliação de Penman para ETR de uma superfície vegetada Penman • Combina – poder evaporante do ar (temperatura, umidade, velocidade do vento) – poder evaporante da radiação e e s d D RL G A c p 1 ra E l W rs D 1 r a Penman - Monteith Analogia com a resistência elétrica Penman + introdução de um fatores de resistência que leva em consideração o stress de umidade da vegetação e do solo Penman - Monteith Toda a energia disponível para E é acessível pela planta e o vapor d´água se difunde contra Resistência aerodinâmica Resistência superficial (estômatos) Penman - Monteith Resistência superficial da vegetação (rs) Resistência estomática das folhas resistência ao fluxo de vapor por difusão molecular (solo-caulegalho-folhas (estômatos) Diferente para os diversos tipos de plantas e depende de variáveis ambientais (umidade do solo, temperatura do ar e radiação recebida pela planta) Estômatos abrem ou fecham segundo a demanda por UR (atmosfera) e umidade do solo) Penman - Monteith Resistência superficial da vegetação (rs) rs 0,34 U2m ra Valores de referência (boas condições de umidade) – Grama: rs = 69 s/m (ETP) – Florestas superficiais: rs = 100 s/m Resistência estomática das folhas depende da disponibilidade de água no solo em condições favoráveis valores de resistência estomática e, em consequência, os de rs mínimos Penman - Monteith Resistência aerodinâmica (ra) Controla a taxa de transferência de vapor d’água do solo (difusão turbulenta) inversamente proporcional ao vento e varia com a altura da vegetação que cobre o solo Penman - Monteith Resistência aerodinâmica (ra) 2 6,25 10 ra ln para h 10 m um,10 z0 94 ra um,10 para h 10 m h é a altura da vegetação em m z0 é a rugosidade da superfície Velocidade do vento a 10 m de altura (m/s) Penman - Monteith Resistência aerodinâmica (ra) ra Inversamente proporcional à altura dos obstáculos enfrentados pelo vento, pois estes que geram a turbulência Penman - Monteith Velocidade do vento a 10 m de altura Estações climatológicas normalmente dispõe de dados de velocidade do vento medidas a 2 m de altura. Para converter estes dado a uma altura de referência de 10 m é utilizada a equação ao lado um,10 10 ln z0 um,2 2 ln z 0 • um,2 é a velocidade do vento a 2 m de altura em m/s • z0 é a rugosidade da superfície Penman - Monteith e e s d D RL G A c p 1 ra E l W rs D 1 r a E [m.s-1 ] taxade evaporaçãoda água; l [MJ.kg-1 ] calor latentede vaporização; λ 2,501 0,002361 T D [kP a.C-1 ] taxade variaçãoda pressãode saturaçãodo vapor; RL [MJ.m-2 .s -1 ] radiaçãolíquida na superfície; RL SSUP (1 α) G [MJ.m-2 .s -1 ] fluxo de energia para o solo; A [kg.m-3 ] massa específicado ar; W [kg.m-3 ] massa específicada água; G 0,38 Td T3d Penman - Monteith MJ.m-2.dia-1 RL A = lE+H A = RL – G D A A c p es ed 1 ra E l W rs D 1 ra A energia disponível para calor latente e para o calor sensível Penman - Monteith • Vegetação molhada (durante ou imediatamente após uma chuva ou depois da irrigação) fonte do vapor de água não está dentro das folhas os estômatos não são mais efetivos em restringir a evaporação rs = 0 • Evaporação potencial superfície extensa de água livre rs = 0 es ed D A A cp ra 1 E l W D Relações ETR = evapotranspiração depende da umidade do solo ETP ETR Umidade do solo Smx Relações Períodos de estiagem mais longos ET retira umidade do solo ET diminui A redução da ET não ocorre imediatamente Para valores de umidade do solo entre a capacidade de campo e um limite ET não é afetada pela umidade do solo A partir deste limite ET diminuída mínimo (normalmente zero) no ponto de murcha permanente Neste ponto rS atinge valores altíssimos Penman - Monteith C p [MJ.kg -1 .C -1 ] calor específicodo ar úm ido(C p 1,013.103 MJ.kg1 .C 1 ); es [kPa ] pressão de saturaçãodo vapor; es [kPa ] pressão do vapor; [kPa.C -1 ] constante psicrom étrica ( 0,66); rs [ s.m-1 ] resistência superficial da vegetação; ra [ s.m-1 ] resistência aerodinâm o ca; rs 0 ,34 U 2 m ra Penman - Monteith PA • Massa específica do ar ρ A 3,486 275 T PA é a pressão atmosférica em kPa T é a temperatura do ar a 2m da superfície em ºC • Massa específica do água ρW 999,845259 6,793952 102 TW 9,09529 103 TW2 1,001685 104 TW3 1,120083 106 TW4 6,536332 109 TW5 TW é a temperatura da água em ºC Penman - Monteith • Pressão de saturação do vapor (es) 17,27 T eS 0,6108 exp 237,3 T T é a temperatura do ar a 2m da superfície em ºC • Pressão real de vapor de água no ar (ed) UR ed eS 100 UR é a umidade relativa do ar em % Penman - Monteith • Calor latente de vaporização (λ) λ 2,501 0,002361 T l em MJ.kg-1 T é a temperatura do ar a 2m da superfície em ºC • Constante psicrométrica (γ) γ 0,66 (constante) • Taxa de variação da pressão de saturação do vapor com a temperatura do ar (Δ) 4098 es Δ 2 237,3 T T é a temperatura do ar a 2m da superfície em ºC Penman – Monteith passos 1. Obter o dia Juliano (J) para a data que se deseja calcular a ET 2. Obter a latitude (f), em graus, do local que se deseja calcular a ET 3. Calcular a declinação solar em radianos 2π 0,4093 sen J 1,405 365 4. Calcular a distância relativa da terra ao sol (dr) 2 dr 1 0,033 cos J 365 Penman – Monteith passos 5. Calcular o ângulo ao nascer do sol em radianos (ωs) ωs arccos tanf tanδ f é a latitude do local em radianos é declinação solar em radianos 6. Calcular a insolação máxima (N) para a localização desejada 24 N ωs π Penman – Monteith passos 7. Calcular a radiação solar que atinge o topo da atmosfera (STOP), em MJ.m-2.dia-1 STOP 15,392 W l 1000 dr (s sen f sen cosf cos sen s ) f é a latitude do local em radianos é declinação solar em radianos ωs é o ângulo do sol ao nascer em radianos Penman – Monteith passos • Radiação no topo da atmosfera (Stop) função da latitude, distância sol-terra e época do ano Penman – Monteith passos 8. Calcular a radiação solar que atinge o topo da superfície (SSUP), em MJ.m-2.dia-1 SSUP n as bs STOP N N insolação máxima possível em horas n isolação medida em horas a fração de atinge a superfície em dias encobertos (quando n=0) b fração de atinge a superfície em dias sem nuvens (quando n = N) Exercício • Estime a evapotranspiração média, em mm/dia, através da equação de Penman-Monteith para a cidade de Maceió (posto Inmet Ufal), no sábado, dia 23/04/2011 Abrir planilha Acessar http://www.inmet.gov.br/ observações estações automáticas ou convencionais localizar a estação da Ufal no mapa colocar a latitude na planilha clicar em dados escolher data e baixar os dados podem ser colocados no Excel Exercício Dados meteorológicos http://meteo.infospace.ru/main.htm Dados meteorológicos Balanço hídrico • Método de estimativa simples com base nos dados precipitação e vazão de uma bacia • A equação da continuidade S(t+1)=S(t) + (P –E - Q).Dt • Desprezando a diferença entre S(t+1) – S(t) Q= P- E • Simplificação aceita para Dt longos como o um ano ou sequência de anos Balanço hídrico • Exemplo: Uma bacia (Rio Passo Fundo) com Precipitação média 1.941 mm e Vazão de 803 mm (valores médios de 10 anos). A evaporação real é E= 1941 – 803 = 1137 mm O coeficiente de escoamento é a relação entre Q/P C = 803/1941 = 0,41 ou 41% da precipitação gera escoamento. Conversão de unidades mm/ano m3/s A = Área da bacia Q = vazão 2 Q(mm/ano) A(km ) 3 Q(m /s) 1000 3600 24 365 Evaporação em reservatórios Reservatórios são criados para regularizar a vazão dos rios, aumentando a disponibilidade de água e de energia nos períodos de escassez Entretanto, cria-se uma vasta superfície líquida que disponibiliza água para evaporação, o que pode ser considerado uma perda de água e de energia Evaporação em reservatórios A evaporação da água em reservatórios estimada a partir de medições de tanques de Classe A Entretanto é necessário aplicar um coeficiente de redução em relação às medições de tanque a água do reservatório normalmente está mais fria do que a água do tanque, que tem um volume pequeno e está completamente exposta à radiação solar Evaporação em reservatórios Assim, para estimar a evaporação em reservatórios e lagos costuma-se considerar que esta tem um valor de aproximadamente 60 a 80% da evaporação medida em Tanque Classe A na mesma região, isto é: Elago Etanque Ft Onde Ft tem valores entre 0,6 e 0,8. Evaporação em lagos e reservatórios Reservatório de Sobradinho área superficial de 4.214 km2 constituindo-se no maior lago artificial do mundo, está numa das regiões mais secas do Brasil Evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m3.s-1 10% da vazão regularizada do rio São Francisco Esta perda é superior à vazão prevista para o projeto de transpiração do rio São Francisco Exercício • 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 5.000 hectares. Medições de evaporação de um tanque classe A correspondem a 1.500 mm por ano. Qual é a nova vazão média a jusante da barragem após a formação do lago? Solução 2 E(mm/ano) A(km ) 3 E(m /s) 1000 3600 24 365 E = 1.500 x 0,7 mm/ano E = 1,66 m3/s Q = 34 – 1,66 = 32,34 m3/s Redução de 4,9 % da vazão Exercício • Deseja-se construir um reservatório em um rio, cuja bacia possui uma área de 50 km2. A área de inundação do reservatório é de 10 km2. Estime qual deve ser a redução de vazão média disponível na bacia. Considere que a evaporação potencial da superfície da água é de 1.400 mm por ano. A evaporação estimada por balanço hídrico antes da construção do reservatório foi de 1.137 mm por ano. Nestas mesmas condições, a vazão média era de 1,41 m3/s e a precipitação de 1.941 mm por ano. Exercício • ET após a construção ET = (0,7.1.400.10 + 1.137.40)/50 = 1.105,6 mm/ano • Q após a construção Q = 1.941 - 1.105,6 = 835,4 mm/ano • Redução de Q Qantes = 1,41 m3/s Qdepois = 835,4 mm/ano = 1,325 m3/s Redução de 6,45%