Por LUCIANO MENESES CARDOSO DA SILVA Engenheiro Civil Especialista em Recursos Hídricos da ANA

1. 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.

2. Interceptação

3. 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

4. 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

5. Relação interceptação e total precipitado Tucci, 2003

6. 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

7. 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

8. Quantificação • Equações empíricas Si= a + b.Pn a, b e n = parâmetros ajustados ao local e Si e P = precipitação, em polegadas. h = altura da planta (em pés) Tucci, 2003

9. Exemplo do armazenamento em escoamento superficial de pequenas bacias Tucci, 2003

10. Desmatamento em São Paulo Tucci, 2003

11. 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

12. 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

13. 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

14. 43 Subterrânea Tucci, 2003

15. Tucci, 2003

16. Avaliação das alterações(vazão média) Tucci, 2003

17. Vazões observadas em Guaíra, rio Paraná (1931 a 1990) Tucci, 2003

18. Tucci, 2003

19. Infiltração

20. 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

21. 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

22. Infiltração e percolação Precipitação Solo não saturado Solo saturado Lençol freático Tucci, 2003

23. 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

24. EXEMPLO Tucci, 2003

25. 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 Variação da taxa de infiltração I 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

26. Evaporação e Evapotranspiração

27. 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

28. Vapor de água Condensação Vaporização Água líquida Movimento da molécula de água entre as superfícies de água e o ar USP, 2003

30. Curva de pressão de Vapor da Água USP, 2003

31. Movimento da molécula de água entre as superfícies de água e o ar Quando as taxas de condensação e vaporização se igualam não há evaporação : diz-se que o ar está saturado. USP, 2003

32. USP, 2003

33. 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

34. Transpiração é a parte da evapotranspiração que vai para a atmosfera através das plantas (estômatos) USP, 2003

35. As taxas de evaporação e transpiração (evapotranspiração) são dadas em unidades de altura divididas por unidade de tempo : mm/dia, mm/mês... USP, 2003

36. 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

37. 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

38. 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

39. Resultados de vários estudos mostrando a variação da ET relativa com a Umidade do Solo

40. 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

41. USP, 2003

42. Tanque Classe A USP, 2003

43. 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

45. Atmômetro USP, 2003

46. Fórmulas de Cálculo(Métodos Indiretos) • 1- Balanço de Massas ou Aerodinâmico (Lei de Dalton) • 2- Balanço hídrico (reservatórios) • 3- Balanço de energia (radiação solar) • 4- Fórmula de Penman (baseado em 1 e 3) • 5- 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

47. Balanço de Massas ou Aerodinâmico (1ª Lei de Dalton: relação entre evaporação e pressão de vapor) Ea = B. (eas - ea) USP, 2003

48. 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

49. Equação do balanço hídrico dV/dt = I ‑ Q ‑ Eo.A + P.A entrada evaporação precipitação Variação de volume saída USP, 2003

50. USP, 2003