Estudo sobre Evapotranspiração e Infiltração em Hidrologia

i d ã HIDROLOGIA HIDROLOGIA EVAPOTRANSPIRAÇÃO E EVAPOTRANSPIRAÇÃO E INFILTRAÇÃO VAZÕES INFILTRAÇÃO VAZÕES MEDIDAS E MEDIDAS E REGULARIZAÇÃO REGULARIZAÇÃO Autor Dr José Antônio Colvara de Oliveira Revisor Carlos Henrique Pereira Assunção Galdino INICIAR Inicialmente nesta unidade exploraremos dois aspectos da cinética da água na terra A evaportranspiração que estuda o deslocamento da água no sentido terraatmosfera e a infiltração que foca a maneira como o líquido penetra nos vazios do solo Além disso destacaremos neste estudo uma análise das vazões em rios abordando como medilas e como evitar que excedam ou faltem Iniciamos este conteúdo destacando que a evapotranspiração consiste no deslocamento da água para a atmosfera o processo se divide em duas partes evaporação compreende as águas de superfícies líquidas como rios lagos e oceanos e transpiração o processo pelo qual as raízes das plantas retiram a água do solo e pelas folhas liberam uma parcela dessa água para a atmosfera Entre os principais parâmetros que exercem diretamente influência sobre a evaporação temos Radiação solar Depende da posição do sol com relação à região da terra e das condições de clima Em outras palavras depende da latitude e do período do ano em que ocorre As tabelas de Angot fornecem os valores de radiação para cada dia do ano A quantidade de radiação que atinge a superfície terrestre é variável dependendo da quantidade de vapor da altitude e espessura da camada de nuvens Figura 31 Tanque Classe A Fonte Giancarlodessi Wikimedia Commons Evaporímetro de Piché É um tubo de vidro com 30 cm de altura e 1 cm de diâmetro Na parte superior é fechado e na inferior aberto após encher água colocase um papel filtro A diminuição do nível em uma escala na parte superior mede a água evaporada Medidas da evapotranspiração As medidas da evapotranspiração são realizadas de dois modos um mais direto que levanta os valores efetivamente subtraídos do solo pelas plantas que é o método do lisímetro ou tanques enterrados e outro que necessita de medidas durante um tempo mais longo é o método do balanço hídrico Lisímetros ou tanques enterrados A evapotranspiração pode ser quantificada a partir de um processo bastante engenhoso que se constitui na prévia construção de um poço na construção de um abrigo dentro deste que é dotado de uma série de drenos e na consequente plantação na parte superior Essa plantação é da espécie de vegetação da qual se deseja medir a evapotranspiração As pesagens são realizadas com determinada frequência e pela medida de água precipitada variação da massa sobre o poço de controle e umidade do ar é possível chegar a valores aproximados da evapotranspiração sobre aquela cultura Além disso seu funcionamento se dá em conjunto com um pluviômetro próximo para se ter a medida da chuva precipitada Estimativa por balanço hídrico A estimativa por balanço hídrico é feita por meio dos dados pluviométricos de uma bacia inteira com suas precipitações percolações e escoamento superficial Requer um prazo mais longo do que os lisímetros normalmente mais de um ano Segundo Collischonn 2013 esse tempo mais longo se deve ao fato de que a porção de água que penetra no solo pode permanecer vários dias no interior da bacia antes de passar pelo exutório que é onde se mede a saída de água não evaporada A equação que proporciona essa medida é E P Q Eq 31 Em que E evapotranspiração de longo prazo mmano P precipitação de longo prazo mmano e Q vazão média de longo prazo mmano Vamos Praticar Desejase conhecer quais os valores médios de evapotranspiração anual de determinada bacia Para tanto conhecemos sua área que é de 1250 km² A partir de dados estatísticos de uma série de coletas realizadas durante 10 anos sabemos que nesta área costuma chover 893 mm por ano Uma estação localizada no ponto extremo da bacia registra a média de 12 m³s de vazão Nesse contexto assinale a alternativa que apresenta qual a evapotranspiração média anual da bacia medida em milímetros a 148 b 302 c 436 d 590 e 745 Infiltração Fases Grandezas características f fc fo fc e t Eq 32 Em que f capacidade de infiltração em um instante qualquer mmh fc capacidade de infiltração em condição de saturação mmh fo capacidade de infiltração em solo seco mmh β parâmetro a ser determinado a partir de medições em campo 1h E t tempo de cada medição h O método fica melhor expresso por meio de um exemplo numérico que o aluno pode acompanhar no item Atividade com passos detalhados para melhor assimilação O termo vazão no caso da Hidrologia diz respeito à quantidade de água que passa por uma determinada seção na unidade de tempo Pode ser medida por exemplo em litros por segundo assim como em metros cúbicos por segundo O conhecimento da vazão nos permite na agricultura saber se determinada espécie pode ser plantada com adequado regime de irrigação Também é útil para conhecermos o regime de um rio e a maneira como seu volume de água avança sobre as margens Alguns termos que utilizaremos ao longo deste tópico são de particular importância para este estudo e devem ser conhecidos com familiaridade Vejamos a seguir Escoamento permanente Quando velocidade vazão e nível da água não se alteram ao longo de um determinado trecho de um rio ou canal Escoamento uniforme Quando velocidade média vazão e nível da água não se alteram ao longo de um determinado trecho de um rio ou canal Área molhada Área da seção transversal que escoa um rio Perímetro molhado Soma dos lados da seção transversal com os quais a água tem contato Medição de vazão Medição de vazão Raio hidráulico Rh Am PmEq 36 Fórmula de Manning Para canais com escoamento permanente e uniforme podese utilizar a fórmula de Manning para o cálculo da velocidade Equação de Manning V fracRh23 cdot S12n Eq 37 Em que V velocidade da água ms Rh raio hidráulico m S declividade do rio mm ou e n coeficiente de Manning adimensional Da fórmula de Manning podemos calcular a vazão Vazão volume por unidade de tempo Também pode ser calculada pela velocidade da água multiplicada pela área por onde se mede essa velocidade Q V A Eq 38 Superfícies ásperas alvenarias de tijolos ou paralelepípedos rejtados concreto ciclópico reboco de argamassa com defeitos ou incompleto juntas irregulares cortes lisos a frio em rocha e alinhamento tortuoso das superfícies falta de desempenho Superfícies cortadas em terra cobertas com argilocimento ou argilobetume ou canais de alvenaria ou concreto em más condições de manutenção e fundo com depósitos de pedregulhos de terra mas sem vegetação Superfícies em terreno compactado ou de gabiões ou de concreto irregular ou arenito cortado manualmente e com alguma erosão e depósitos além de um pouco de vegetação nas margens Canais de terra feitos pelo homem mantido em boas condições com pouca vegetação e canais naturais com as mesmas características margens e fundo razoavelmente alinhados sem grandes reentrâncias Canais de terra com vegetação média fundo com irregularidades por erosões e assoreamentos margens razoavelmente alinhadas Canais com fortes irregularidades no leito e nas margens não muito alinhadas e com vegetação normal Canais tipo rios permanentes em terreno aluvial mas com bastante vegetação e variação da seção transversal moderada Canais naturais tipo montanhoso com vegetação sedimentos areia cascalho e pedras grandes corredeiras seguidas de lagos seguido de corredeiras com vegetação e variação seção transversal acentuada Idem ao anterior mas em condições mais severas Idem ao anterior em condições ainda mais severas Idem ao anterior em condições muito severas Canais naturais ou não com muita vegetação árvores Condições muito severas de vegetação e irregularidades no leito do canal como durante um transbordamento Tabela 32 Valores de n na equação 37 Fonte Adaptada de Azevedo Netto 2015 As fórmulas para cálculo da área molhada perímetro molhado raio hidráulico e largura do topo das seções transversais da maioria dos tipos de canais encontramse na tabela a seguir Forma da seção Área molhada m² Perímetro molhado m Raio hidráulico m Largura do topo m b h b 2 h b h b 2 h b m h h b 2h 1 m² b 2m h mh² 2h 1 m² 2mh 1 8 θ sin θ D² θD 2 1 4 1 sin θ θ D sin θ 2 D πD² 8 πD 2 2 D 4 h 2 D 2 h Fonte Elaborada pelo autor b c d e 22 3 s m3 38 4 s m3 45 1 s m3 637 m3s Outra maneira de medir vazão em pequenos canais usada com frequência em zonas agrícolas é o vertedor Tratase de uma estrutura de soleira delgada com uma passagem para a água A altura que a água se eleva antes do vertedor é medida por uma régua Com base nessa medida e em função do tipo de vertedor usando uma equação calculase a vazão A seguir a descrição dos tipos de vertedores mais utilizados Vertedores Vertedores Figura 34 Vertedor em pequenos canais de irrigação Fonte Micha Klootwijk 123RF Vamos Praticar Para o desvio de um rio em determinada localização na zona rural será construído um canal cuja superfície será constituída de concreto não muito alisado nem desempenado A seção transversal do canal será de forma trapezoidal com m 05 Estimase que quando iniciar seu funcionamento a lâmina dágua ficará a uma altura de 15 m do fundo do canal Admitindose uma largura da base de 8 m e uma declividade de 00003 mm calcule a vazão em m³s que fluirá pelo canal Assinale a alternativa correta o a 7 9 m³s Método dos molinetes Utilizado em cursos dágua nos quais se torna difícil ou mesmo impossível medir com os métodos anteriores Também conhecido como método por área e velocidade utilizase do fato de que a vazão é o produto da velocidade com que a água está passando em determinada área pela própria área da seção transversal em que isso está ocorrendo Isso envolve a necessidade de se conhecer dois aspectos básicos a área e a velocidade O molinete é um instrumento dotado de hélice que movida pelo fluxo de água conta as voltas executadas em torno de seu eixo Por meio de um mecanismo ou um sistema digital essa contagem é transformada em valores de velocidade O instrumento é instalado solidário a uma haste e ajustado para medir a velocidade em diversas alturas a partir do leito Isso se deve ao fato de que a velocidade do rio não é a mesma em todos os pontos da vertical diminuindo à medida que se aproxima do leito ou das margens Normalmente são utilizadas medidas em dois pontos da vertical a 20 e 80 do fundo e é calculada a média entre elas Figura 35 Molinete e haste vertical Fonte Elaborada pelo autor Quanto à quantidade de verticais a serem utilizadas Back 2006 recomenda a seguinte relação na tabela Largura do rio Distância entre verticais m m 3 03 3 a 6 05 6 a 15 10 15 a 30 20 30 a 50 30 50 a 80 40 80 a 50 60 150 a 250 80 250 120 Tabela 34 Distâncias recomendadas entre as verticais Fonte Back 2006 p 266 A vazão total do rio é obtida integrando o produto da velocidade pela área O método mais utilizado é chamado de método da meia seção Nele as parcelas de área da seção transversal junto às margens não são computadas Para minimizar essa diferença procurase aproximar as verticais inicial e final o máximo possível das margens praticar Vamos Praticar Para estimar a vazão média em uma determinada seção transversal de um rio foi adotado o processo do molinete O rio possui 30 m de largura e foi dividido em 6 verticais que apresentaram as velocidades a seguir tomadas a 20 e 80 respectivamente Calcule a velocidade média e a vazão do rio nesta seção O estudo da regularização de vazões se constitui em um importante aliado do engenheiro quando é necessário resolver o grave problema de cursos dágua que são utilizados como por exemplo para construção de reservatórios de abastecimento e possuem um comportamento diferente para a estação das cheias e das secas Regularização de Regularização de vazões vazões Reflita O que estudamos anteriormente sobre a regularização de vazões dá uma ideia da atuação do engenheiro nessa área O controle de enchentes ou a segurança de abastecimento são dois problemas diferentes que muitas vezes podem ser resolvidos por meio da mesma ciência a regularização de vazões Reflita como é importante o conhecimento das ferramentas aqui abordadas no sentido de resolver problemas graves como o frequente caso de desabastecimento ou falta de água em diversas regiões do país Conceito Regularizar vazões é o procedimento pelo qual se pretende que determinado rio tenha a mínima variabilidade de vazão ao longo do ano Uma das soluções é a construção de reservatórios onde o excesso da estação chuvosa fique armazenado para a estação de estio além disso as barragens são uma maneira de provocar o aparecimento desses reservatórios A proteção contra cheias é um dos maiores problemas das grandes cidades Em Tokyo foi construído o maior conjunto de reservatórios do mundo para evitar esse problema Ao todo é uma rede de 64 km de túneis interligando reservatórios sob a região metropolitana de Tokyo Para encontrar mais detalhes inclusive um vídeo com documentário acesse o conteúdo a seguir ACESSAR Em relação a este assunto alguns conceitos são importantes para que tenhamos um perfeito entendimento sobre as diversas variáveis Consideremos na figura a seguir uma barragem com a consequente elevação das águas à montante de determinado curso dágua Figura 36 Barragem e reservatório a montante Fonte Elaborada pelo autor Para entendermos melhor a Figura 36 veja a legenda a seguir 1 Sobreamazenamento Volume não aproveitado Fica acima do nível normal 2 Nível normal 3 Volume útil Volume armazenado entre os níveis mínimo e normal 4 Nível máximo normal de operação Nₐₘₐₓno Cota máxima a que as águas se elevam nas condições normais 5 Soleira do vertedor ou crista 6 Barragem 7 Conduto de descarga 8 Volume morto Volume retido abaixo do nível mínimo 9 Nível mínimo Nₐₘᵢₙ Cota mínima à qual as águas podem atingir em condições normais Cota do conduto de saída mais baixo 10 Fundo do rio 11 Superfície natural do rio antes de ser represado Outros conceitos importantes a respeito deste tema são destacados a seguir Período crítico Período em que o reservatório inicialmente cheio e sem preenchimento total intermediário se torna mínimo Energia firme Energia possível de ser produzida no período crítico Máxima produção contínua de energia que pode ser obtida supondo a ocorrência da sequência mais seca registrada no histórico de vazões do rio onde está localizada Demanda Volume de saída Vₛ Retirada de água do reservatório abastecimento etc Capacidade Mínima de um reservatório para uma vazão regularizada Um reservatório pode ter sua capacidade mínima dimensionada em função do que se deseja para chegar ao objetivo de possuir uma vazão regularizada Para tanto é necessário ter o conhecimento da vazão demandada O próximo passo é elaborar uma tabela com as vazões mensais observadas em certo período Analisando os dados destacase o período crítico ou seja aquele em que se faz necessária uma reposição de água para atingir a demanda Vamos Praticar Desejase utilizar um rio para abastecer determinada cidade Para tanto será necessária a construção de uma represa a fim de formar o reservatório Nesse contexto desejase saber o volume que deverá ter esse reservatório em outras palavras seria a altura da represa para que sempre tenha abastecimento seja no período de cheias ou na época de seca Para isso dispõese do registro de vazões do último ano conforme tabela apresentada Sendo assim qual o volume necessário para o reservatório se o objetivo é atender a uma demanda de 583 m³dia Desejase que a demanda regularizada seja igual à média ou seja evitando ao máximo o excesso e a sobra de água Os dados fornecidos estão nas primeiras três colunas da tabela a seguir As demais colunas foram calculadas conforme o roteiro a seguir Ano Mês Q aflu D 31 28 LIVRO Hidrologia ciência e aplicação Carlos E M Tucci Editora ABRH ISBN 9788570259240 Comentário O dimensionamento da capacidade do reservatório criado por construção de barragens é um dos temais mais importantes na Hidrologia A alternância entre períodos de cheias e de secas indica que a engenharia hídrica tem uma contribuição primordial no sentido de os municípios terem disponibilidade de água tanto no verão quanto no inverno Um aprofundamento dos cálculos aqui analisados pode ser encontrado em Tucci 2009 no capítulo escrito por Antonio Eduardo Lanna Vimos nesta unidade importantes conceitos para nosso perfeito conhecimento da água na natureza A Hidrologia procura se valer das variáveis estudadas para compreender como ocorre o ciclo da água em seus diversos modelos Além disso destacamos que a infiltração e a evaporação são dois exemplos de como a água se desloca ao longo de todo esse processo Outros temas abordados aqui foram a medida de vazões a maneira de controlar o acesso a este bem nos períodos de escassez e o modo como evitar transtornos nos períodos de cheias Em todos pudemos constatar como o estudo desses fatores se reveste de importância para o profissional da Engenharia COLLISCHONN W Hidrologia para engenharia e ciências ambientais Porto Alegre ABRH 2013 GARCEZ L N Hidrologia São Paulo Blucher 1974 TUCCI C E M Org Hidrologia Ciência e aplicação 4a ed Porto Alegre ABRH 2009 AZEVEDO NETTO J M Manual de Hidráulica 9 ed São Paulo Blücher 2015 BACK Á J Hidráulica e hidrometria aplicada Florianópolis Epagri 2006 COLLISCHONN B Exercício infiltração hidrologia YouTube Vídeo 2016 Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvfPR9iPYtPsk Acesso em 05 dez 2019