Interceptação e Infiltração

1. Hidrologia Interceptação e Infiltração Prof. Carlos Ruberto Fragoso Jr. Prof.Marllus Gustavo F. P. das Neves I

2. Visita ao Canal do Sertão

3. 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

4. precipitação evaporação (interceptação) escoamento superficial transpiração evaporação percolação fluxo ascendente zona de aeração ou zona não saturada infiltração escoamento sub-superficial zona saturada rocha de origem Ciclo Hidrológico lençol freático

5. 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.

6. 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 cheiasfreqüentes. 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.

7. 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.

9. Vegetação Características da precipitação Tipo Chuva antecedente Densidade Intensidade Volume precipitado INTERCEPTAÇÃO VEGETAL: função de Condições Climáticas Período do ano • Condições climáticas: vento é o mais significativo  efeito sazonal

10. 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.

11. INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo 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

12. INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo e densidade de vegetação As folhas geralmente interceptam a maior parte da precipitação, mas a disposição dos troncos contribui significativamente

13. INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo e densidade de vegetação Espécie e espaçamento

14. INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo e densidade de vegetação Floresta Nativa

15. INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo e densidade de vegetação -sazonalidade -a época do ano pode caracterizar alguns tipos de cultivos que apresentam as diferentes fases de crescimento e colheita

16. INTERCEPTAÇÃO VEGETALTipo e densidade de vegetação

17. INTERCEPTAÇÃO VEGETALCaracterísticas 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)

18. INTERCEPTAÇÃO VEGETALCaracterísticas 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.

19. INTERCEPTAÇÃO NO PANTANAL

20. Relação Interceptação x total interceptado

21. Quantificação: Equação de continuidade do sistema de interceptação P Si=P-T-C C T

22. 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

24. Fórmulas Conceituais • Horton (1919); • Merian (1960); • Equações Empíricas

25. 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 Fórmulas Conceituais – Horton -relacionou o volume interceptado durante uma enchente com a capacidade de interceptação da vegetação e a taxa de evaporação -Limitações: nela a interceptação é independente da precipitação -A capacidade de armazenamento deve ser preenchida, o que necessariamente não ocorre

26. 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: 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(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.

27. 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.

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

29. Vegetação Vegetação Simulação de Precipitação período seco retira água até atingir a sua capacidade máxima Depleção do reservatório (evaporação e evapotranspiração) Formulação em Modelos Conceituais Vegetação como um reservatório com capacidade máxima – de acordo com o tipo de cobertura • 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.

30. 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

31. 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

32. ARMAZENAMENTO NAS DEPRESSÕES

33. Armazenamento em escoamento superficial de pequenas bacias

34. Impactos Antrópicos que afetam a interceptação

35. Impacto na vazão média

36. 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

37. Exercício • 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?

38. Exercício • 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% .

39. Coffee Break!!

40. 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

41. 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.

42. 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

43. 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

44. 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.

45. Infiltração Antes da chuva Depois da chuva

46. 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.

47. 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.

48. Capacidade de infiltração e taxa de infiltração Esc. Superficial Prec. Vol. Infiltrado

49. 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.

50. 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.