Hidrologia

1. 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

2. Evapotranspiração • Conceito Geral • Fatores que afetam a evapotranspiração • Medição da evaporação • Evaporação em lagos e reservatórios • Estimativa da evapotranspiração • Medição • Cálculo

3. Conceito Geral - Evapotranspiração Evaporação (E) – Taxa de conversão da água líquida em vapor, água esta presente nosoceanos, lagos, rios e solo Transpiração (T) – parte do total evaporado para a atmosfera proveniente do solo, através das plantas

4. 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 em MJ.kg-1 T  temperatura na superfície da água em ºC

5. 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) em kPa T é a temperatura em ºC

6. Definições Tão importante quando es é o seu gradiente D = des/dT 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)

7. 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). Potencial (ETP) Real (ETR)

8. Transpiração  das raízes às folhas, pelo sistema condutor, pelo estabelecimento de um gradiente de potencial desde o solo até o ar Transpiração no sistema solo planta atmosfera 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

9. 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)

10. Fatores que afetam • Radiação solar • Umidade do ar • Temperatura do ar • Velocidade do vento • Tipo de solo • Vegetação (transpiração)

11. Radiação Solar 30% 70% 26% 4% 19% evaporação ar quente 51% + 19% = 70%

12. Radiação Solar  Radiação no topo da atmosfera (Stop) a.Ssup Stop Ssup a albedo RL St (Ssup)  Radiação incidente

13. Radiação Solar

14. Radiação Solar 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)

15. 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

16. Radiação Solar ondas longas para a atmosfera Ln para a superfície Ln radiação líquida de ondas longas que deixa a superfície terrestre

17. Radiação Solar 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=4,903.10-9MJ.m-2.ºK-4.dia-1)

18. Balanço por unidade de área RL  Radiação líquida (ondas curtas) Fluxo de calor sensível Energia usada na evaporação  Arm. temp. Energia absorvida por processos bioquímicos  Calor transferido para o solo por condução Perda associada com o mov. do ar

19. Balanço por unidade de área RL A  energia disponível para calor latente e para o calor sensível MJ.m-2.dia-1 A = lE+H A = RL – G – S – P - Ad P Ad Geralmente negligenciados lE + H = RL – G – S – P - Ad Geralmente 2% de RL S

20. 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) • 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

21. 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

22. 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 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

23. 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

24. Vegetação e solo • A vegetação: • Controla a transpiração • Pode agir fechando os estômatos • Busca a umidade de camadas profundas do solo • Umidade do solo  uma das variáveis mais • importantes na transpiração • Solo úmido  plantas transpiram livremente  taxa de transpiração controlada pelas variáveis atmosféricas • Solo começa a secar  fluxo de transpiração começa a diminuir • Condições ideais de umidade do solo  ETP • Condições reais de umidade do solo  ETR • Solos arenosos úmidos tem evaporação maior do que • solos argilosos úmidos

25. Determinação da evaporação e da ET Evapotranspiração Evaporação Medidas diretas Transferência de massa Temperatura Balanço de energia Radiação Equações empíricas Combinado Balanço hídrico Evaporímetros

26. Evaporação Evaporação Relação entre a evaporação e a pressão de vapor, com a introdução do efeito do vento Transferência de massa 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 Balanço de energia Equações empíricas Ajuste por regressão das variáveis envolvidas evaporímetros Medida direta  tanque classe A, ... Balanço hídrico Baseia-se na equação da continuidade do lago ou reservatório

27. Evapotranspiração Evapotranspiração Medidas diretas 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) Temperatura Baseados na variável meteorológica radiação. Equação de Jesen e Haise, ... Radiação Chamada de equação de Penman  adaptar o cálculo da evaporação de superfícies livres para a superfície de interesse  ETP Combinado Balanço hídrico Para intervalos de tempo superiores a 1 semana

28. Evaporímetros  medição direta Evaporação • 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

29. Tanque classe A Evaporação 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

30. Tanque classe A Evaporação Fonte : Sabesp

31. Tanque classe A Evaporação Tanque classe A

32. Tanque classe A Evaporação • 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

33. Evaporímetro de Piché Evaporação 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

34. Evaporímetro de Piché Evaporação • Piché é pouco confiável

35. Estimativa da evapotranspiração Evapotranspiração • Medição (mais complicada) • Cálculo

36. Lisímetros  medição direta Evapotranspiração • 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

37. Lisímetros  medição direta Evapotranspiração 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)

38. Lisímetros  medição direta Evapotranspiração

39. Lisímetros  medição direta Evapotranspiração

40. Lisímetros  medição direta Evapotranspiração http://jararaca.ufsm.br/websites/matasul-ufsm/1ca53f95af2a6c15feea202899377cc9.htm

41. Mais Equações de cálculo da ET Evapotranspiração • 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)

42. Métodos baseados na temperatura e radiação Evapotranspiração • 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

43. Cálculo da ETP  baseado na temperatura Evapotranspiração 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.

44. Cálculo da ETP  baseado na temperatura Evapotranspiração

45. Thornthwaite Evapotranspiração Para estimar evapotranspiração potencial mensal T = temperatura média do mês (oC) a = parâmetro que depende da região I = índice de temperatura j  cada um dos 12 meses do ano Tj temperatura média de cada um dos 12 meses

46. Exemplo Evapotranspiração 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

47. Exemplo Evapotranspiração 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: Portanto, a evapotranspiração potencial estimada para o mês de agosto de 2006 é de 53,1 mm/mês.

48. Equações combinadas Evapotranspiração • Penman  evaporação • Christiansen • Van Bavel • Penman - Monteith  ampliação de • Penmanpara • ETR de uma • superfície • vegetada

49. Penman Evapotranspiração • Combina • poder evaporante do ar (temperatura, umidade, velocidade do vento) • poder evaporante da radiação

50. Penman - Monteith Evapotranspiração Penman + introdução de um fatores de resistência que leva em consideração o stress de umidade da vegetação e do solo Analogia com a resistência elétrica