Hidrologia
Interceptação e Infiltração
Prof. Carlos Ruberto Fragoso Jr.
Prof. Marllus Gustavo F. P. das Neves
I
Visita ao Canal do Sertão
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
Ciclo Hidrológico
precipitação
transpiração
evaporação (interceptação)
evaporação infiltração
zona de aeração
ou
zona não saturada
percolação
escoamento
superficial
fluxo
ascendente
lençol freático
escoamento
sub-superficial
zona saturada
rocha de origem
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 freqüentes.
Q (vazão) = P (precipitação) – ET (evapotranspiração)
• Equação para um período longo
• Para a mesma precipitação a vazão altera em função da
evapotranspiração.
– A vegetação aumenta a ET devido a Interceptação. Quando é retirada, a vazão
aumenta.
INTERCEPTAÇÃO - Gênese
• Inicia a chuva
• a 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.
INTERCEPTAÇÃO VEGETAL: função de
Condições Climáticas
Vegetação
Tipo
•
Densidade
Período do ano
Características da precipitação
Intensidade
Volume precipitado
Chuva antecedente
Condições climáticas: vento é o mais significativo  efeito sazonal
INTERCEPTAÇÃO
A interceptação depende de um modo geral:
 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
O volume interceptado retorna para a atmosfera
por evaporação, após a ocorrência da chuva.
INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
-caracteriza a quantidade de gotas que cada folha pode reter
-a densidade de folhas pode indicar o volume retido numa superfície de bacia
INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
As folhas geralmente interceptam a maior
parte da precipitação, mas a disposição dos
troncos contribui significativamente
INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
Espécie e espaçamento
INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
Floresta Nativa
INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
-sazonalidade
-a época do ano pode
caracterizar alguns tipos de
cultivos que apresentam as
diferentes
fases
de
crescimento e colheita
INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Características da Precipitação
•
intensidade, volume precipitado e
chuva antecedente
Pequenos volumes (0,3 mm)  todo o
volume é retido
Precipitações superiores a 1mm: de 10 a
40% pode ficar retido
•
intensidade interceptação (para
igual volume precipitado)
• Precipitações precedidas por 24h de
período seco produzem curva de
precipitação-interceptação diferente
de ocorrências precedidas por
condições úmidas (Blake, 1975)
INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Características da Precipitação
•
•
•
•
as 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.
INTERCEPTAÇÃO NO PANTANAL
Relação Interceptação x total interceptado
Quantificação: Equação de continuidade do sistema de interceptação
P
C
T
Si=P-T-C
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
Fórmulas Conceituais
• Horton (1919);
• Merian (1960);
• Equações Empíricas
Fórmulas Conceituais – Horton
-relacionou o volume interceptado durante uma enchente com a capacidade de
interceptação da vegetação e a taxa de evaporação
E=evaporação da
superfície de
evaporação (mm/h)
•tr =duração da precipitação (horas)
Sv = capacidade de
armazenamento da
vegetação para a área
(mm)
Av = Área de
Vegetação
A = Área
Total
Si=Sv+(Av/A).E.tr
-Limitações: nela a interceptação é independente da precipitação
-A capacidade de armazenamento deve ser preenchida, o que necessariamente não
ocorre
Fórmulas Conceituais - Merian (1960)
•
Introduziu a precipitação (P) na equação original de Horton, usando a expressão exponencial:
•
•
Si=Sv (1-e-P/Sv)+A/Av.E.tr
•
•
•
Si=Sv (1-e-P/Sv)+R.E.tr
intensidade, o termo exponencial: convergindo para uma constante igual a Sv.
O termo da direita da equação é transformado para
•
Si=Sv (1-e-P/Sv)+R.E.tr
•
•
•
Si=Sv+(Av/A).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 - 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
•
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)
Equações de regressão relacionando as principais variáveis e ajustadas a diferentes tipos de dados.
Si = a + bp.n
Si e P=precipitação (em polegadas)
Para a estimativa do volume total interceptado utiliza-se o fator de projeção f que é multiplicado ao valor
de Si, para se obter a interceptação média da área.
parâmetros ajustados ao local
f = parcela de vegetação sobre a área de interesse
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
Os coeficientes, para alguns cultivos, são multiplicados pela altura da planta h em pés
Formulação em Modelos Conceituais
Vegetação 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
•
•
•
Vegetação
período seco
Depleção do reservatório
(evaporação e evapotranspiração)
analise do processo de transformação de P em 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.
Crawford e Linsley (1966) utilizaram este critério no modelo Stanford
IV e sugeriram os valores da tabela a seguir para a capacidade
máxima do reservatório de interceptação em função da cobertura
vegetal
Cobertura
Capacidade máxima (mm)
Campo, prado
2,50
Floresta ou mato
3,75
Floresta ou mato denso
5,00
Armazenamento nas depressões
•
Linsley et al. (1949) utilizou a seguinte 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 máxima
Pe=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.
Viessman (1967)apresentou uma relação entre capacidade das depressões e
declividade do solo obtida com base em quatro pequenas bacias impermeáveis,
indicando uma grande correlação entre as variáveis
•
•
•
ARMAZENAMENTO NAS DEPRESSÕES
Armazenamento em escoamento
superficial de pequenas bacias
Impactos Antrópicos que afetam a
interceptação
Classificação
Tipo
Mudança da superfície
1. desmatamento
2. reflorestamento
3. impermeabilização
O uso da superfície
1. Urbanização
2. reflorestamento para exploração sistemática
3. desmatamento : extração de madeira, cultura de
subsistência; culturas anuais; culturas permanentes
Método de alteração
1. queimada
2. manual
3. equipamentos
Impacto na vazão média
Tipo de desmatamento
Preparo ou tipo de
plantio
floresta sem alteração
Área das bacias
ha
Escoamento anual
mm/ano
1979 1979-1981
16
0
2,6
3,0
6,6
do 3,1
16,0
16,1
Desmatamento tradicional
plantio direto
limpeza manual
sem
solo
limpeza manual
preparo
convencional
3,2
54,0
79,7
trator com lâminas
sem preparo
2,7
86,0
104,8
trator tree-pusher
sem preparo
3,2
153,0
170,0
trator tree-pusher
preparo
convencional
4,0
250,0
330,6
preparo
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
Exercício
1.
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 chuva
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!!
INFILTRAÇÃO
• 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
Antes da chuva
Depois da chuva
Infiltração
• 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.
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
Esc. Superficial
Prec.
Vol.
Infiltrado
Infiltração
• 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.
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
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 subterrânea
• 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.
Composição do solo
Parte sólida 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
Textura do solo
Porosidade e umidade 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.
Va
v 
Vt
Porosidade
• Areia: 0,37 a 0,50
• Argila: 0,43 a 0,52
Umidade do solo
• 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
Medição da 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…)
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
Infiltração de água em solos
• 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
Equação de Horton
f  fc   fo  fc e
 t
• 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)
Equação de Horton
f  fc   fo  fc e t
fo = 50 mm/hora
fc = 4 mm/hora
Infiltração conforme o tipo de solo
Medição da Infiltração
Anéis concêntricos
Desenho
Balanço hídrico no solo
• V = variação de volume de
água armazenada no solo;
• P = precipitação;
• Q = escoamento superficial;
• G = percolação;
• ET = evapotranspiração
V  P  Q  G  ET
Fluxo da água em meios
porosos saturados
•
•
•
•
•
Q = fluxo de água (m3/s)
A = área (m2)
H = carga (m)
L = distância (m)
K = condutividade hidráulica (m/s)
H
Q  KA
L
Exercício
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
Tempo (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
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.