Processos Hidrológicos CST 318 Tema 05 – Evapotranspiração ANO 2013

1. Processos HidrológicosCST 318Tema 05 – EvapotranspiraçãoANO 2013 Laura De Simone Borma Camilo DalelesRennó http://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/

2. Evaporação • Ciclo hidrológico  troca constante de água entre a superfície terrestre e a atmosfera • A água chega até a superfície terrestre através da precipitação • A água sai da superfície terrestre através de processos de vaporização da água – evaporação + transpiração = evapotranspiração (ETP) • Vapor d’água indisponível para uso humano • Água “perdida” pela evapotranspiração  usada para o crescimento das plantas, que formam a base dos ecossistemas terrestres • Medida da ETP  fundamental para quantificação da disponibilidade hídrica • Previsão dos impactos das mudanças climáticas e mudanças no uso da terra na resposta hidrológica  habilidade de modelar a evapotranspiração

3. Importância disponibilidade hídrica irrigação perda de água em reservatórios

4. Evaporação, transpiração e evapotranspiração • Evaporação: conjunto de fenômenos físicos que transformam em vapor a água livre existente na superfície do solo: • interceptada pelas plantas • Cursos d’água • Lagos • Reservatórios • Transpiração: evaporação devida à ação fisiológica dos vegetais • As plantas, através de suas raízes, retiram do solo a água para atividades vitais e transpiram pelos estômatos • Evapotranspiração: conjunto de processos físicos (evaporação) e fisiológicos (transpiração) que provocam a transformação da água precipitada na superfície da Terra em vapor • Termo bastante usado devido à dificuldade de separação entre evaporação e transpiração, tanto nos cálculos quanto nas medições

5. Evaporação, transpiração e evapotranspiração Interceptação Oceanos, lagos, solo sem cobertura vegetal Superfície vegetada: florestas, cultivos, etc.

6. Evapotranspiração • Somente ocorrerá se existir água disponível • Disponibilidade de água – fator limitante do processo

7. Evapotranspiração potencial e evapotranspiração real • Evapotranspiração potencial - Etp(ideal): total de água transferido para a atmosfera por evaporação e transpiração, de uma superfície extensa, coberta por vegetação e não sendo limitada pela disponibilidade de água • Evapotranspiração real - Etr(atual): perda de água para a atmosfera por evaporação e transpiração, nas condições atmosférica e de umidade do solo atuantes • Conceitualmente, a Etr não pode exceder a Etp;

8. ETp e ETr Condições atmosféricas • Evapotranspiração potencial – ETp • Máxima ET que pode ser transferida para a atmosfera – depende apenas das condições atmosféricas • Evapotranspiração real – Etr • Total transferido para a atmosfera de acordo com a disponibilidade hídrica existente (umidade do solo) e resistência das plantas Meio não saturado Meio saturado

9. ETp e ETr ETr= evapotranspiração depende da umidade do solo ETp ETr Umidade do solo Smx

10. Física da evaporação T = Ta T = Ts • Camada de ar T = Taacima de uma superfície de água, T = Ts • Moléculas da camada de ar são atraídas pelas que estão na massa líquida por meio de ligações químicas (pontes de H); • Ao mesmo tempo, moléculas da superfície de água adquirem energia suficiente para romper as ligações e entrar no ar • Equilíbrio as taxas de saída e reentrada de moléculas de água são iguais • Pressão de vapor na camada de ar = pressão de saturação de vapor (es) à temperatura da superfície Ts

11. Pressão de saturação de vapor x temperatura es (hPa) Onde: T – temperatura do meio em oC T (oC)

12. Física da evaporação • O que acontece se introduzirmos energia na forma de calor no sistema água-atmosfera? • As moléculas na superfície são atraídas pelas que estão no corpo da massa • Aumento da temperatura • maior movimento das moléculas de água (energia cinética) • maior capacidade do ar de conter vapor d´água • Evaporação processo de resfriamento ea < es Energia: calor do sol Evaporação

13. Física da evaporação • E se tirarmos energia do sistema água-atmosfera? • As moléculas na superfície são atraídas pelas que estão no corpo da massa • Condensação  processo de aquecimento ea > es Condensação Energia

14. Transpiração • Vaporização da água líquida contida nos tecidos das plantas e na sua posterior remoção para a atmosfera • As plantas perdem água principalmente através dos estômatos – pequenas aberturas localizadas nas folhas através das quais ocorre a troca de vapor d´água

15. Transpiração • A vaporização ocorre dentro da folha, nos espaços intracelulares; • a troca de vapor com a atmosfera ocorre por meio da abertura estomatal • Praticamente toda a água absorvida pela planta é perdida pela transpiração, e somente uma pequena fração é usada dentro da planta • É também através dos estômatos que as plantas absorvem CO2 http://www.fao.org/ Liberação de água simultânea à assimilação de CO2 - pensar

16. Resistência da superfície • A taxa de fluxo de vapor d´água é controlada pela resistência que a planta oferece à perda de água (através da abertura/fechamento dos estômatos) • Da mesma forma, o solo oferece uma resistência à perda de água, que é uma função do seu conteúdo de água e do tipo de solo

17. Evaporação x transpiração • A evaporação e a transpiração ocorrem simultaneamente e não existe uma forma fácil de distinguir os dois processos • A evaporação a partir de um solo cultivado é principalmente determinada pela fração de radiação solar que atinge a superfície do solo. Essa fração decresce com o aumento da vegetação, devido a um maior sombreamento da superfície do terreno • Quando a vegetação é de pequeno porte (ou pouco densa), a água é perdida predominantemente por evaporação do solo • Na medida em que a vegetação se desenvolve e cobre completamente o solo, a transpiração passa a ser o processo dominante

18. Fatores condicionantes da ETP • Condicionantes climáticas (fortemente condicionado pelas condições meteorológicas) • Radiação solar • Temperatura • Umidade relativa do ar • Velocidade do vento • Gradiente de pressão de vapor • Características da superfície evaporativa • Superfície de água livre • Solo • Conteúdo de água no solo • Vegetação • Índice de Área Foliar (IAF) • Profundidade de raízes Fornecimento de energia Mecanismo de transporte de massa (vapor) Resistência à perda de água

19. Índice de área foliar (IAF) • O índice de área foliar (IAF) ou leaf area index (LAI) é uma quantidade adimensional que expressa a área da superfície foliar (apenas a parte superior) por unidade de área de solo sobre ela. • O IAFef é o índice de área foliar que efetivamente contribui para a transferência de calor e vapor e é geralmente a parte superior, mais iluminada do dossel, sendo normalmente considerado como IAFef = 0,5 IAF

20. Fornecimento de energia • a) Fornecimento de energia para converter água líquida em vapor • Radiação solar líquida (Rn) • Radiação líquida (Rn) Balanço de energia na superfície terrestre onde: E – calor latente H – calor sensível G – calor armazenado no solo

21. Calor latente e calor sensível • Calor latente de vaporização () – parcela da energia fornecida pela radiação solar para transformar água líquida em vapor d’água. Esta mesma quantidade é liberada no caso da condensação • Calor sensível (H) – refere-se à porção de energia de ondas longas irradiada pela superfície terrestre que não é usada para evaporação do ar. Ela é responsável pela mudança de temperatura do ar, uma propriedade que pode ser medida ou “sentida”

22. Fluxo de calor latente • Calor latente de vaporização v função da temperatura • Ts em oC e v em MJKg-1 • Fluxo ou transferência de calor latente proporcional à taxa de evaporação • Onde: • LE - taxa de transferência de calor latente • E - taxa de evaporação ou condensação • w - densidade da água

23. Fluxo de calor sensível • Calor sensível (H) • porção de energia radiante que não é utilizada para evaporação aquece a superfície do terreno mudando a sua temperatura • Fluxo de calor sensível • transferência de calor sensível por unidade de tempo e área • ocorre quando há uma diferença entre a temperatura de superfície e a temperatura do ar • Quando Ts < Ta H negativo  fluxo de calor sensível vai da atmosfera para a superfície  - densidade do ar cp – calor específico do ar sob pressão constante

24. Razão de Bowen • razão entre a taxa de calor sensível e calor latente • B < 1 – uma maior proporção de energia disponível na superfície é passada para a atmosfera na forma de calor latente do que na forma de calor sensível

25. Mecanismo de Transporte de massa (vapor) • b)Mecanismo de transporte – troca de vapor d’água entre a superfície evaporativa e a camada sobrejacente • Déficit de pressão de vapor - diferença entre a pressão de vapor de água na camada sobrejacente à superfície evaporativa e a pressão de vapor na atmosfera de entorno • O processo tende a cessar na medida em que o ar do entorno torna-se saturado (não há mais déficit de pressão de vapor), podendo ocorrer duas situações: • Condensação e ocorrência de chuva • Substituição do ar saturado por um ar mais seco, pela ação do vento, mantendo o processo Lei de Dalton • Onde: • E – taxa de evaporação • es – pressão de saturação de vapor de água (tabelada) • ea – pressão do vapor de água presente no ar atmosférico – geralmente tomada 2m acima da superfície (tabela ou fórmula)

26. Difusão molecular • Expressão matemática da difusão: • Onde Fz(X) é a taxa de transferência de X na direção z por unidade de área e tempo (fluxo), C(X) é a concentração de X e DX é a difusividade de X no fluído. • A evaporação é (também) um processo difusivo 1ª lei de Fick

27. Difusão molecular • A equação da difusão pode ser aplicada: • Ao fluxo de vapor de água, V  • Ao fluxo de calor latente, LE  • Ao fluxo de calor sensível, H  • Onde: • Dv é a difusividade do vapor d´água • ρvdensidade do vapor d’água • λvcalor latente de vaporização • DH difusividade do calor sensível em condições turbulentas • ca calor específico do ar à pressão constante • Ta temperatura do ar

28. Difusão turbulenta • O vento que incide horizontalmente sobre superfícies naturais  retardado pela interação entre o terreno e a vegetação • Essa interação cria movimentos randômicos nos quais porções de ar, de vários tamanhos, movem-se em direções não definidas durante o período de sua existência turbulência • mecanismo de transporte mais eficiente que a difusão molecular e é o principal processo responsável pela troca entre o ar próximo do terreno (camada limite da atmosfera) e os níveis mais altos da atmosfera

29. Medidas da evaporação • Métodos • Medidas diretas • Tanque de evaporação • Medidas indiretas • Balanço hídrico • Formulações matemáticas • Equações empíricas (transferência de massa e ação do vento) • Balanço de energia • Método combinado – Método de Penman

30. Tanque de evaporação • Tanque cilíndrico contendo água líquida exposta à atmosfera • E = P – (V2 – V1) • Onde: • P – precipitação durante um tempo t • V1 e V2 – água armazenada no início e no fim de t • Necessita de um coeficiente de correlação (Kt): • EL = Kt . Et. • Kt entre 0,6 e 0,8 (0,7 mais utilizado) • Desvantagem – estações automatizadas Tanque Classe A

31. Método do balanço hídrico • As medidas se resumem à determinação dos termos de uma equação de balanço hídrico, em um dado intervalo de tempo • (mm) • Onde: • E - perda líquida de ETP a partir do volume especificado por unidade de área (mm) • P – entrada por precipitação líquida (ou irrigação) para o volume especificado, por unidade de área (mm) • VR – volume de água (líquida) que entra ou sai do volume especificado medida como inflow ou outflow acima ou abaixo da superfície (litros) • Vs – mudança na água líquida armazenada dentro de um dado volume (litros) • A – área da superfície do terreno (m2)

32. Método do balanço hídrico • Ex. 1) Em uma bacia hidrográfica, o total precipitado no mês de janeiro foi de 154mm, enquanto a vazão média de água drenada pelo rio principal, neste mesmo período, foi de 24 m3/s. Sabe-se que este rio contribui com 75% do montante de água que escoa para um reservatório e que, com base nas operações deste reservatório, ocorreu no mês de janeiro uma vazão média de saída da bacia de 49 m3/s. Tendo-se em conta que os volumes armazenados no início e no final do mês eram, respectivamente, de 288 x 106 m3 e 244 x 106 m3, estimar a ETP do reservatório com base na equação do balanço hídrico. Dado: relação entre o volume e a área do espelho d´água no reservatório, conforme tabela a seguir. I Reservatório Q

33. Método do balanço hídrico

34. Equações empíricas • Baseia-se na primeira lei de Dalton, que estabelece a relação entre evaporação e pressão de vapor Parâmetro onde é introduzido o efeito do vento (relações empíricas) Pressão de saturação de vapor do ar em uma coluna acima da superfície evaporativa Pressão de saturação de vapor da superfície de água mm/dia

35. Método do balanço de energia • Onde: •  - densidade do ar • cp – calor específico do ar sob pressão constante • - constante psicrométrica • e – gradiente de pressão de vapor • T – gradiente de temperatura • Rn – radiação líquida • G – calor armazenado no solo (estações meteorológicas) (1) (2) (3) mm.dia-1 (4) Razão de Bowen Também conhecido como Método de Bowen ou método da radiação

36. Método de Penman • Formulação de Penmam • Penman (1948) combinou o método do balanço de energia (radiação disponível) com o método de transferência de massa (transporte turbulento de vapor da superfície evaporativa para a atmosfera – vento) para computar a equação a partir de uma superfície de água livre • Onde: • Rn – radiação líquida sobre a superfície de água livre • - constante psicrométrica • Ea = f(u)(es-ea) – função empírica da velocidade do vento, onde • es – pressão de saturação de vapor na superfície evaporativa • ea – pressão de saturação de vapor no ar acima da superfície • (es-ea ) – déficit de saturação de vapor (transferência de massa) • - declividade da curva de saturação de vapor à temperatura média de bulbo úmido

37. Método de Penman Fornece bons resultados devido à sua forte base teórica Os parâmetros utilizados podem ser obtidos em estações meteorológicas convencionais

38. Quantificação da ETP • Medidas diretas – muito mais difíceis que as medidas de ppt e vazão • Lisímetros • Medidas indiretas – em geral, funcionam para escalas de tempo maiores • Método balanço hídrico • Modelos matemáticos (conceituais, empíricos ou semi-empíricos), p.e.: • Método de Thorntwaite • Método de Penman (1948)* (evaporação) • Método de Thorntwaite-Matter (1955) • Método da resistência – Monteith (1963) • Método de Penman-Monteith* (evapotranspiração) • Método de Priestley-Taylor (1972) – semi-empírico • Método razão de Bowen - requer medidas de campo • Método da correlação de vórtices • Correlação dos vórtices turbulentos (eddycovariance) • * Indicados pela ASCE e FAO

39. Lisímetros

40. Lisímetros • Caixa estanque (volume mínimo de 1m3) inserida no solo e plantada com vegetação • dreno de fundo conduz a água para um sistema de medição (D) • ETP é determinada pelo balanço hídrico • Onde: • D – drenagem • P – peso • w – variação de umidade • Restrição – pequena área ou volume que representa Lisímetro de drenagem Lisímetro de balança

41. Método do balanço hídrico • Problema – dificuldade de medição da percolação profunda • Indicado: • Condições semi-áridas • estações secas do ano • variação do conteúdo de água no solo representa a própria ETp no período considerado • Precisão • Depende do intervalo considerado • não é adequado para períodos curtos • Média de vários anos • as variações de água armazenada no solo tornam-se desprezíveis • ETP sazonal ou anual • resultados satisfatórios • extensivamente usado em vários experimentos, desde que as condições sejam ideais (raro) • Desde que se disponha de uma bacia hidrográfica em condições adequadas, esta pode ser usada para estimativa da ETP através da simples resolução do balanço hídrico: • Onde: • ET – evapotranspiração • P – precipitação (pluviômetros) • Q – vazão • S – variação do armazenamento da água no solo (sensores)

42. Bacias pareadas Objetivo – identificação das mudanças no uso e cobertura da terra sobre a ETP Bacia Mirim (1,26 km2) Bacia Colosso (1,22 km2) Testemunha ou controle (controle da ppt) Bacia analisada Monica Pereira, 2007

43. Metodo de Thornthwaite (método da temperatura) Onde: ET – evapotranspiração mensal l – comprimento médio do dia (h) N – número de dias do mês Ta – temperatura média mensal do ar (oC) – mês em questão I – índice de calor, obtido pela relação T – temperatura média anual da região a – função cúbica de I, dada pela relação: Vantagem – requer apenas dados de temperatura e insolação Desvantagem – subestima ET nos meses de máxima radiação líquida (foi desenvolvido para regiões de clima úmido)

44. Método de Penman-Monteith (método combinado) • Na formulação de Penman, as componentes embutidas no fator de proporcionalidade levam em conta apenas as condições atmosféricas. No entanto, quando o solo encontra-se na condição não saturada, o fluxo evaporativo passa a depender também das propriedades do solo; • Para considerar essa situação, o método de Penman foi posteriormente adaptado por outros pesquisadores para abranger superfícies vegetadas em solos não saturados (Monteith, 1965; Choudhurry & Monteith, 1988, entre outros) • Essas expressões definem o fluxo evapotranspirativo e englobam a utilização de fatores de resistência – resistência aerodinâmica (ra) e resistência da superfície (rs) para considerar a resistência que a superfície evaporativa exerce à perda de água • Essas resistências exercem papel chave na determinação da ETP e são determinadas a partir das propriedades físicas do solo e da vegetação

45. Método de Penman-Monteith • Formulação de Penmam-Monteith para superfícies vegetadas • Onde: • G – fluxo de calor no solo (desprezado na Eq de Penman) • a – massa específica média do ar à pressão constante • cp – calor específico do ar • ra e rs – resistências oferecidas pela superfície

46. Método de Penman-Monteith • Resistência aerodinâmica (ra) • Onde: • ra – resistência aerodinâmica (sm-1) • zm – altura da medida da velocidade do vento (m) • zh – altura da medida da umidade (m) • d – altura de deslocamento plano zero (m) • zom – comprimento da rugosidade, que governa a transferência de calor e vapor (m) • k – constante de von Karnan (0,41) • uz – velocidade do vento à altura z (ms-1)

47. Método de Penman-Monteith • Resistência de superfície (rs) (para plantas) • Onde: • rs – resistência de superfície (sm-1) • rl – resistência estomatal de uma folha bem iluminada (sm-1). Corresponde à resistência média de uma folha, individualmente. Essa resistência depende da PAR (radiação fotossinteticamente ativa), do déficit de pressão de vapor entre a folha e a atmosfera e do potencial hídrico da folha (que está relacionado à disponibilidade de água no solo) • LAIef – índice de área foliar efetivo (m2 de área foliar x m-2 de superfície de solo)

48. Método de Penman-Monteith • Formulação de Penmam-Monteith para solos • Onde: • ras - resistência aerodinâmica entre a superfície de solo e o ar contido no dossel • Rns – radiação líquida que chega ao solo • rs – resistência de superfície (sm-1)

49. Método de Penman-Monteith • Resistência de superfície (rs) (para solos) • Onde: • - fator de tortuosidade (parâmetro adimensional relativo à resistência à difusão do vapor d´água para um meio poroso) • l – espessura da camada de solo seco (m) – essa espessura não é constante e varia em função do fluxo de água no solo devido à ação das demais componentes do balanço hídrico (percolação, fluxo lateral e fluxo ascendente) – a espessura da camada de solo seco é calculada através da solução da equação de Richards, a qual considera o fluxo em solo não saturado • ps – porosidade do solo • Dm difusão molecular do vapor d´água

50. Correlação dos vórtices turbulentos (eddycorrelation) • Mede diretamente os fluxos de ecossistema de uma maneira integrada: quanto CO2 e vapor de H2O entra e sai devido ao vento. • Relaciona as mudanças no fluxo de CO2 e vapor de H2O no ar acima do dossel provocado pelo movimento ascendente e descendente do ar. anemometro Método preciso, porém requer instrumentos específicos Sensores podem apresentar problemas de funcionamento Gradientes horizontais podem provocar erros Dificuldade de fechamento do balanço sensor