Precipitação: Formação Medição e Impactos da Chuva

2 Ciclo Hidrológico Fonte httpswwwalevelgeographycompr ocessesandpathwaysofthewater cycle 3 Precipitação A água da atmosfera que atinge a superfície na forma de chuva granizo neve orvalho neblina ou geada é denominada precipitação Na realidade brasileira a chuva é a forma mais importante de precipitação embora grandes prejuízos possam advir da ocorrência de precipitação na forma de granizo e em alguns locais possa eventualmente ocorrer neve A chuva é a causa mais importante dos processos hidrológicos de interesse da engenharia Associada a grande aleatoriedade espacial e temporal Fonte Collischonn Dornelles 2013 4 Precipitação Fonte Collischonn Dornelles 2013 Formação das Nuvens O processo de formação das nuvens de chuva está associado ao movimento ascendente de uma massa de ar úmido A medida que a massa ascendente vai esfriando a capacidade da massa de ar em reter umidade diminui O restante condensa Quando este vapor se condensa pequenas gotas começam a se formar permanecendo suspensas no ar por fortes correntes ascendentes e pela turbulência Porém em certas condições as gotas das nuvens crescem atingindo tamanho e peso suficiente para vencer as correntes de ar que as sustentam Nestas condições a água das nuvens se precipita para a superfície da Terra na forma de chuva 5 Precipitação Intensidade média Longa duração Atinge grandes extensões Pode produzir cheias em grandes bacias Intensidade grande Pequena duração Atinge pequenas extensões Pode produzir cheias em pequenas bacias Normalmente são de pequena intensidade e grande duração Um grande obstáculo impede a passagem do ar quente e úmido 6 Medição e Monitoramento da Chuva Pluviômetro A chuva é tipicamente medida utilizando instrumentos chamados pluviômetros que nada mais são do que recipientes para coletar a água precipitada com algumas dimensões padronizadas O pluviômetro mais utilizado no Brasil tem uma forma cilíndrica com uma área superior de captação da chuva de 400 cm² de modo que um volume de 40 ml de água acumulado no pluviômetro corresponda a 1 mm de chuva A unidade de leitura é milímetros precipitados por unidade de tempo Por exemplo mmd No Brasil a medição da chuva ou leitura da lâmina precipitada ocorre sempre 1 vez por dia as 0700 Observador Já existem séries pluviométricas estabelecidas o início dos anos 1900 Neste sentido é importante assegurar que influências externas não interfiram no monitoramento Por isso a Organização Mundial de Meteorologia OMM recomenda que o pluviômetro deve ficar protegido do vento e a uma distância especifica possíveis objetos que possam causar interferência nas medições Fonte Collischonn Dornelles 2013 7 Medição e Monitoramento da Chuva Pluviógrafo Existem também pluviômetros adaptados para realizar medições de forma automática realizando medição de dados com intervalos de tempo inferiores a 1 dia Estes são os pluviômetros automáticos ou pluviógrafos Originalmente mecânicos utilizavam uma balança para pesar o peso da água e um papel para registrar o total precipitado Atualmente nos últimos anos foram substituídos por pluviógrafos eletrônicos com memória datalogger A principal vantagem do Pluviógrafo sobre o Pluviômetro tradicional é que o Pluviógrafo tem capacidade para medir chuvas com intervalo de tempo inferior a 1 dia Isso é especialmente importante em bacias urbanas e em eventos de chuvas convectivas Fonte Collischonn Dornelles 2013 8 Medição e Monitoramento da Chuva Estação Meteorológica Pluviômetros ou Pluviógrafos podem ser inseridos em equipamentos que medem outras variáveis climáticas e meteorológicas Este é o caso de Estações Meteorológicas que podem medir também por exemplo velocidade do vento radiação solar etc Radares A chuva também pode ser estimada utilizando radares meteorológicos A medição de chuva por radar está baseada na emissão de pulsos de radiação eletromagnética que são refletidos pelas partículas de chuva na atmosfera e na medição do da intensidade do sinal refletido O radar tem uma abrangência adequada até 180250 km e tem a condição de quantificar a precipitação de forma quase contínua tanto no tempo a cada 5 minutos por exemplo como no espaço a cada 500 metros por exemplo Fonte Collischonn Dornelles 2013 9 Medição e Monitoramento da Chuva Rede de monitoramento A principal rede de monitoramento no Brasil é mantida pela Agência Nacional de Águas ANA No banco de dados da ANA estão registrados pluviômetros de diversas entidades inclusive de outros países Também existem outras empresas e instituições com outros bancos de dados como o Instituto Nacional de Meteorologia INMET empresas de geração de energia e empresas de pesquisa agropecuária Ao lado é possível observar a rede de monitoramento da ANA para a América do Sul e para o Brasil 18114 estações em maio de 2018 no Brasil Muitas estações não apresentam nenhum tipo de dado ou apresentam séries com muitas falhas httpswwwsnirhgovbrhidroweb apresentacao Endereço de acesso ao Portal da ANA httpswwwsnirhgovbrhidroweb mapa Endereço de acesso ao Mapa com a Rede Hidrometeorológica da ANA Medição e Monitoramento da Chuva snirhgovbrhidrowebserieshistoricas Séries Históricas de Estações Séries Históricas Consultar Limpar 12 Medição e Monitoramento da Chuva Obtenção de Dados 13 Medição e Monitoramento da Chuva Obtenção de Dados 14 Medição e Monitoramento da Chuva Obtenção de Dados No arquivo txt CtrlA CtrlC O Excel CtrlV na primeira célula A1 Selecionar a coluna A Ir em Dados Texto para Colunas Delimitado Avançar Marcar Tabulação e Ponto e Vírgula Concluir 15 Medição e Monitoramento da Chuva Obtenção de Dados No arquivo txt CtrlA CtrlC O Excel CtrlV na primeira célula A1 Selecionar a coluna A Ir em Dados Texto para Colunas Delimitado Avançar Marcar Tabulação e Ponto e Vírgula Concluir 16 Medição e Monitoramento da Chuva Independentemente do processo de formação das chuvas o monitoramento das mesmas é importante A partir do monitoramento diário horário ou em intervalos de 5 em 5 minutos é possível caracterizar o fenômeno local ou regional possibilitando a identificação de regimes pluviométricos e fenômenos extremos Precipitação Monitoramento Exemplo Estação Climatológica do INMET Código 3053017 17 Medição e Monitoramento da Chuva Precipitação Monitoramento Monitoramento Horário Exemplo Estação Climatológica do INMET Código 3053017 18 Medição e Monitoramento da Chuva Precipitação Monitoramento Exemplo Estação Pluviométrica Passo dos Freires Código 3053017 Monitoramento Diário 19 Medição e Monitoramento da Chuva Precipitação Monitoramento Agrupamento dos dados diários em médias Mensais Fonte Dhamer et al 2019 Unisinos Agrupamento dos dados diários em totais anuais 20 Caracterização da Chuva Precipitação referese à água da atmosfera depositada na superfície Terrestre podendo ser na forma de chuva granizo orvalho neblina ou geada É empírico para o conhecimento de uma pessoa que eventos extremos e intensos tem menor probabilidade de ocorrência do que chuvas menos Intensas Fonte PMPADEP 2005 Plano Diretor de Drenagem Urbana Manual de Drenagem Urbana O risco de uma vazão ou precipitação é entendido como a probabilidade P de ocorrência de um valor igual ou superior num ano qualquer O tempo de retorno TR é o inverso da probabilidade P e representa o tempo em média que este evento tem chance de se repetir O tempo de retorno de 10 anos significa que em média a cheia pode se repetir a cada 10 anos ou em cada ano esta enchente tem 10 de chance de ocorrer Conceito 21 Caracterização da Chuva Precipitação referese à água da atmosfera depositada na superfície Terrestre podendo ser na forma de chuva granizo orvalho neblina ou geada É empírico para o conhecimento de uma pessoa que eventos extremos e intensos tem menor probabilidade de ocorrência do que chuvas menos Intensas Tempo de Retorno TR Intervalo de tempo em que é esperada a ocorrência de um evento Um evento com 50 anos de TR é esperado que aconteça pelo menos 1 vez nesse intervalo de tempo Probabilidade de ocorrência num ano qualquer é de 150 2 DURAÇÃO INTENSIDADE O risco de uma vazão ou precipitação é entendido como a probabilidade P de ocorrência de um valor igual ou superior num ano qualquer O tempo de retorno TR é o inverso da probabilidade P e representa o tempo em média que este evento tem chance de se repetir O tempo de retorno de 10 anos significa que em média a cheia pode se repetir a cada 10 anos ou em cada ano esta enchente tem 10 de chance de ocorrer Conceito 22 Caracterização da Chuva Fonte Collischonn Dornelles 2013 Precipitação e Tempo de Retorno Chuvas Máximas Frequência é a quantidade de ocorrências de eventos iguais ou superiores ao evento de chuva considerado FREQUÊNCIA 23 Caracterização da Chuva Se contarmos o número de eventos que aconteceram entre um intervalo definido Por exemplo o número de vezes que ocorreu uma chuva diária entre 10 e 20mm Podemos chegar a uma tabela similar a esta Estimando a Frequência de Eventos diários para Porto Alegre 1980 2018 Precipitação e Tempo de Retorno Chuvas Máximas 24 Caracterização da Chuva Estimando a Frequência de Eventos diários para Porto Alegre 1980 2018 FREQUÊNCIA Precipitação e Tempo de Retorno Chuvas Máximas 25 Caracterização da Chuva Equações IDF Intensidade Duração Frequência 26 Caracterização da Chuva Equações IDF Intensidade Duração Frequência 26 Curva IDF do Parque da Redenção Porto Alegre EXEMPLO Qual é a intensidade de um evento de chuva com 10 min de duração e 10 anos de tempo de retorno Resposta 126 mmh 27 Precipitação Variabilidade Espacial Os dados de chuva dos pluviômetros e pluviógrafos referemse a medições executadas em áreas muito restritas 400 cm² quase pontuais Porém a chuva caracterizase por uma grande variabilidade espacial Assim durante um evento de chuva um pluviômetro pode ter registrado 60 mm de chuva enquanto um outro pluviômetro a 30 km de distância registrou apenas 40 mm para o mesmo evento Fonte Collischonn Dornelles 2013 28 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte httpmapaambientalblogspotcom2 01004httpwwwhtml Os diversos métodos de monitoramento da precipitação geram produtos regionais ou nacionais que podem ser utilizados para estudar o regime de chuvas de uma região 200mmano 4000mmano Linhas de mesma precipitação são chamadas de Isoietas 29 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 30 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média O cálculo da chuva média em uma bacia pode ser realizado utilizando majoritariamente 4 métodos Método da Média Aritimética Das Isoeitas Polígonos de Thiesen SIG interpolação 31 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Média Aritimética Calculase a média das chuvas ocorridas em todos os pluviômetros localizados no interior da bacia Exemplo abaixo Pm 665044404 50mm Podese calcular também considerando inclusive estações que se encontram fora da bacia Pm 66504440 425 484mm 32 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Método das Isoietas O método das isoietas parte de um mapa de isoietas como o da figura ao lado que mostra linhas de igual precipitação para uma certa bacia Assim para saber a precipitação total da bacia calculase a média ponderada levando em conta área da bacia fração que corresponde ao intervalo entre as isoietas Por exemplo considerase que a área entre as isoietas de 1200 e 1300 mm recebe por exemplo 1250 mm de chuva Ptotal A1 x 1150 A2 x 1250 A3 x 1350 A4 x 1450 A1A2A3A4 33 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média 50 mm 70 mm 120 mm A precipitação total da bacia é calculada por ai fração da área da bacia sob influencia do posto I Pi precipitação do posto i n 1 i ai Pi P Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen Um dos métodos mais utilizados entretanto é o método de Thiessen ou do vizinho mais próximo Neste método é definida a área de influência de cada posto e é calculada uma média ponderada da precipitação com base nestas áreas de influência 34 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm 1 Linha que une dois postos pluviométricos próximos 35 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm 2 Linha que divide ao meio a linha anterior Região de influência dos postos 36 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm 3 Linhas que unem todos os postos pluviométricos vizinhos 37 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 4 Linhas que dividem ao meios todas as anteriores 38 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 Influência de cada um dos postos pluviométricos 39 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 Influência de cada um dos postos pluviométricos 40 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 Influência de cada um dos postos pluviométricos 41 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 Influência de cada um dos postos pluviométricos 42 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Cálculo da precipitação média Polígonos de Thiessen 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 Influência de cada um dos postos pluviométricos 43 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 Influência de cada um dos postos pluviométricos 40 30 15 10 5 Enfim qual é o valor da precipitação média 𝑃 015120 04070 03050 00575 01082 𝑃 73𝑚𝑚 44 Precipitação Variabilidade Espacial Fonte Collischonn Dornelles 2013 Cálculo da precipitação média Comparação entre os métodos Média aritmética 60 mm Média aritmética com postos de fora da bacia 794 mm Média por polígonos de Thiessen 73 mm 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 45 Tratamento de dados pluviométricos e identificação de erros Fonte Collischonn Dornelles 2013 O objetivo de um posto de medição de chuvas é o de fornecer uma série ininterrupta de precipitações ao longo dos anos Em qualquer caso pode ocorrer a existência de períodos com falhas nas observações devido a problemas com os aparelhos de registro ou com o operador do posto Que tipo de erro estamos falando Preenchimento errado do valor na caderneta de campo Soma errada do número de provetas quando a precipitação é alta Valor estimado pelo observador por não se encontrar no local no dia da amostragem Crescimento de vegetação ou outra obstrução próxima ao posto de observação Danificação do aparelho Problemas mecânicos no registrador gráfico 46 Tratamento de dados pluviométricos e identificação de erros Fonte Collischonn Dornelles 2013 Preenchimento de Falhas Método da Regressão Linear Também pode ocorrer ausência de informações devido à falha no arquivamento de dados pluviométricos ou devido à não operação do pluviômetro por parte do observador Férias Em alguns casos é possível fazer o preenchimento destas falhas utilizando dados de postos pluviométricos da vizinhança Ressaltase que este tipo de preenchimento não substitui os dados originais e somente pode ser aplicado para dados em intervalo de tempo mensal ou anual Método da Regressão Linear 47 Tratamento de dados pluviométricos e identificação de erros Fonte Collischonn Dornelles 2013 Preenchimento de Falhas Método da Regressão Linear A regressão linear pode ser aplicada apenas se a correlação entre as chuvas de dois postos de chuva próximos for alta ou seja se eles forem próximos e o comportamento da chuva semelhante Método da Regressão Linear 48 Tratamento de dados pluviométricos e identificação de erros Fonte Collischonn Dornelles 2013 Preenchimento de Falhas Método da Regressão Linear Múltipla Método da Regressão Linear Múltipla Na regressão linear múltipla as informações pluviométricas do posto Y são correlacionadas com as correspondentes observações de vários postos vizinhos Ym 3 Xm 3 PX 2 Xm 2 PX 1 Xm 1 PX 3 1 PY Posto Y apresenta falha Postos X1 X2 e X3 têm dados Ym é a precipitação média do posto Y Xm1 a Xm3 são as médias dos postos X PX1 a PX3 são as precipitações nos postos X1 a X3 no intervalo de tempo em que Y apresenta falha PY é a precipitação estimada em Y no intervalo que apresenta falha 49 Tratamento de dados pluviométricos e identificação de erros Fonte Collischonn Dornelles 2013 Análise de Consistência Método da DuplaMassa Um dos métodos mais conhecidos para a análise de consistência dos dados de precipitação é o Método da DuplaMassa desenvolvido pelo Geological Survey USA A principal finalidade da aplicação do método é identificar se ocorreram mudanças no comportamento da precipitação ao longo do tempo ou mesmo no local de observação O Método da DuplaMassa é baseado no princípio que o gráfico de uma quantidade acumulada plotada contra outra quantidade acumulada durante o mesmo período deve ser uma linha reta sempre que as quantidades sejam proporcionais A declividade da reta ajustada nesse processo representa então a constante de proporcionalidade Método válido para valores Mensais ou Anuais 50 Tratamento de dados pluviométricos e identificação de erros Fonte Collischonn Dornelles 2013 Análise de Consistência Método da DuplaMassa A precipitação acumulada é o acúmulo das precipitações diárias 51 Tratamento de dados pluviométricos e identificação de erros Fonte Collischonn Dornelles 2013 Análise de Consistência Método da DuplaMassa 52 Tratamento de dados pluviométricos e identificação de erros Fonte Collischonn Dornelles 2013 Análise de Consistência Método da DuplaMassa 53 Interceptação Fonte Collischonn Dornelles 2013 A interceptação é a retenção de água da chuva antes que esta atinja o solo A interceptação ocorre nas folhas da cobertura vegetal em caules e ramos no material vegetal em decomposição sobre o solo e em depressões impermeáveis A água da chuva retida por interceptação fica disponível para evaporação e portanto o principal efeito da interceptação é uma bacia é aumentar a evaporação e reduzir o escoamento A capacidade de interceptação depende das características da precipitação intensidade duração volume das características ad própria cobertura vegetal vegetação de folhas maiores possuem maior capacidade de interceptação das condições climáticas quando há muito vento a capacidade de interceptação é diminuída da época do ano no outono por exemplo a capacidade de interceptação é praticamente nula em árvores de folhas caducas entre outros Esse processo pode ser especialmente importante em regiões onde predominam chuvas de baixa intensidade 54 Interceptação Fonte Collischonn Dornelles 2013 A quantificação de perdas devido à interceptação vegetal em uma floresta pode deve ser feita através do monitoramento acima e abaixo da copa das árvores Neste caso é importante também monitorar o volume de água que escoa pelo tronco das árvores A diferença do volume total precipitado e volume de água que atravessa a vegetação considerando o volume escoado pelos troncos fornece uma estimativa da interceptação do local Índice de Área Foliar 55 Interceptação Fonte Collischonn Dornelles 2013 O Índice de Área Foliar IAF é a relação entre a área das folhas todas as folhas da vegetação de uma região e a área do solo Um valor de IAF igual a 2 por exemplo significa que cada m² de área de solo está coberto por uma vegetação em que a soma das áreas das folhas individuais é de 2 m² Dados obtidos na literatura sugerem que o IAF tem valores em torno de 2 e 3 para campo e pastagem valores em torno de 6 a 9 para florestas e valores de 0 durante o preparo de solo a 6 no mês de desenvolvimento máximo em cultivos anuais As variações não são muito grandes e estes valores são relativamente confiáveis dada a sua repetição em diversas medições e estimativas apresentadas na literatura A lâmina dágua interceptada durante um evento de chuva pode ser estimada com base no valor do IAF através da seguinte equação Sendo SIL mm a capacidade do reservatório de interceptação Fi mm o parâmetro de lâmina de interceptação Fi02 mm e IAF um parâmetro adimensional 56 Interceptação Fonte Collischonn Dornelles 2013 Um evento de chuva de 155 mm e de 4 horas de duração atinge uma bacia com cobertura vegetal de florestas Qual é a parcela da chuva que é interceptada Exemplo 𝑆𝐼𝐿 02 6 12 𝑚𝑚 57 Infiltração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Conceito Infiltração é definida como a passagem da água através da superfície do solo passando pelos poros e atingindo o interior ou perfil do solo A infiltração de água no solo é importante para o crescimento da vegetação para o abastecimento dos aquíferos reservatórios de água subterrânea manutenção do fluxo nos rios durante as estiagens e diminuir erosão pois reduz escoamento superficial Quanto mais poroso maior é a taxa de infiltração A água infiltrada no solo preenche os poros originalmente ocupados pelo ar Assim o solo é uma mistura de materiais sólidos líquidos e gasosos Na mistura também encontramse muitos organismos vivos bactérias fungos raízes insetos vermes e matéria orgânica especialmente nas camadas superiores mais próximas da superfície 58 Infiltração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Fluxo de água em meios porosos saturados O solo é um meio poroso e o movimento da água em meio poroso é descrito pela equação de Darcy Em 1856 Henry Darcy desenvolveu esta relação básica realizando experimentos com areia concluindo que o fluxo de água através de um meio poroso é proporcional ao gradiente hidráulico Valores de K Solo arenoso 235 cmhora Solo siltoso 132 cmhora Solo argiloso 006 cmhora L H K A Q 59 Infiltração Fonte Baptista et al Hidráulica Aplicada Editora ABRH Fluxo de água em meios porosos saturados Você foi contratado para fazer uma avaliação prévia de qual é a vazão de água que um aquífero com determinadas características pode fornecer caso seja executada a obra de um poço na região O sistema de aquífero é formado por duas camadas horizontais a camada superior possui K 1 x 105 ms e a camada inferior K 1 x 106 ms A carga hidráulica na extremidade oeste é 60m e a de leste é de 40m Calcule a vazão em cada camada L H K A Q Exemplo 60 Infiltração Fonte Baptista et al Hidráulica Aplicada Editora ABRH Fluxo de água em meios porosos saturados Você foi contratado para fazer uma avaliação prévia de qual é a vazão de água que um aquífero com determinadas características pode fornecer caso seja executada a obra de um poço na região O sistema de aquífero é formado por duas camadas horizontais a camada superior possui K 1 x 105 ms e a camada inferior K 1 x 106 ms A carga hidráulica na extremidade oeste é 60m e a de leste é de 40m Calcule a vazão em cada camada L H K A Q 𝑄1 105 20 1 60 40 500 Na camada superior 𝑄1 08 105𝑚3𝑠 𝑄1 288 𝐿ℎ 𝑄2 106 15 1 60 40 500 Na camada inferior 𝑄2 06 106𝑚3𝑠 𝑄2 216 𝐿ℎ 𝑄𝑡𝑜𝑡 31 𝐿ℎ Exemplo 61 Infiltração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Mas o solo não está sempre saturado Uma chuva que atinge um solo inicialmente seco será inicialmente absorvida quase totalmente pelo solo enquanto o solo apresenta muitos poros vazios com ar À medida que os poros vão sendo preenchidos a infiltração tende a diminuir estando limitada pela capacidade do solo de transferir a água para as camadas mais profundas percolação Esta capacidade é dada pela condutividade hidráulica A partir deste limite quando o solo está próximo da saturação a capacidade de infiltração permanece constante e aproximadamente igual à condutividade hidráulica httprafaelruboesyesgeologiahidr ogeologiaaguassubterraneashtml Aqui valem as equações de Darcy Aqui não valem Essa é a situação mais típica meio não saturado Nesse caso a condutividade hidráulica também é função do conteúdo de água no solo Além disso a carga hidráulica deve ser expressa como uma combinação do potencial gravitacional com o potencial mátrico Equação de Richards 62 Infiltração Fluxo de água no meio não saturado Modelo de Horton onde f é a capacidade de infiltração num instante qualquer mmh fc é a capacidade de infiltração em condição de saturação mmh fo é a capacidade de infiltração quando o solo está seco mmh t é o tempo min e β é um parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo min1 Esta equação é uma função exponencial assintótica ao valor fc fo 50 mmhora fc 4 mmhora Taxa mínima de infiltração do solo Fonte Collischonn Dornelles 2013 63 Infiltração Fluxo de água no meio não saturado Modelo de Horton Ajuste a equação de Horton aos dados apresentados a seguir Adaptado de Tucci 2013 Hidrologia ciência e aplicação Exemplo t min P mmh V obs mm 00 38 000 60 38 380 100 55 614 140 55 807 180 55 990 220 55 1154 260 55 1301 300 55 1443 340 55 1576 380 55 1708 420 55 1838 Observar que o solo saturouse superficialmente ao final do sexto minuto Resposta fo 38 mmh fc 195 mmh β 0085 min1 64 Infiltração Fluxo de água no meio não saturado Modelo de Horton Ao integrar a equação de Horton em função do tempo Temos a equação dos volumes infiltrados acumulados Vf em mm no tempo Tucci C E M Hidrologia ciência e aplicação 2013 𝑉𝑓 𝑓𝑐 𝑡 𝑓𝑜 𝑓𝑐 𝛽 1 𝑒𝛽𝑡 65 Infiltração Fluxo de água no meio não saturado Modelo de Horton Considere uma bacia de contribuição com um solo que possui as seguintes características Capacidade de infiltração saturada 195 mmh Capacidade de infiltração do solo seco 38 mmh β 51 h1 Para o evento de chuva apresentado a seguir calcule o volume escoamento superficialmente em mm e a relação entre volume escoado e precipitado C QP Exemplo T h Precip mm Potencial Infiltrado Ac mm Potencial Infiltrado Desac mm Volume Infiltrado mm Chuva Exced mm 1 25 2 20 3 50 4 30 5 20 C 𝑉𝑓 𝑓𝑐 𝑡 𝑓𝑜 𝑓𝑐 𝛽 1 𝑒𝛽𝑡 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 Precipitação mm Tempo h Precip mm 66 Infiltração Fluxo de água no meio não saturado Modelo de Horton Considere uma bacia de contribuição com um solo que possui as seguintes características Capacidade de infiltração saturada 195 mmh Capacidade de infiltração do solo seco 38 mmh β 51 h1 Para o evento de chuva apresentado a seguir calcule o volume escoamento superficialmente em mm e a relação entre volume escoado e precipitado C QP Exemplo T h Precip mm Potencial Infiltrado Ac mm Potencial Infiltrado Desac mm Volume Infiltrado mm Chuva Exced mm 1 25 2311 2 20 4263 3 50 6213 4 30 8163 5 20 10113 C 𝑉𝑓 𝑓𝑐 𝑡 𝑓𝑜 𝑓𝑐 𝛽 1 𝑒𝛽𝑡 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 Precipitação mm Tempo h Precip mm 67 Infiltração Fluxo de água no meio não saturado Modelo de Horton Considere uma bacia de contribuição com um solo que possui as seguintes características Capacidade de infiltração saturada 195 mmh Capacidade de infiltração do solo seco 38 mmh β 51 h1 Para o evento de chuva apresentado a seguir calcule o volume escoamento superficialmente em mm e a relação entre volume escoado e precipitado C QP Exemplo T h Precip mm Potencial Infiltrado Ac mm Potencial Infiltrado Desac mm Volume Infiltrado mm Chuva Exced mm 1 25 2311 2311 2 20 4263 1952 3 50 6213 1950 4 30 8163 1950 5 20 10113 1950 C 𝑉𝑓 𝑓𝑐 𝑡 𝑓𝑜 𝑓𝑐 𝛽 1 𝑒𝛽𝑡 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 Precipitação mm Tempo h Precip mm 68 Infiltração Fluxo de água no meio não saturado Modelo de Horton Considere uma bacia de contribuição com um solo que possui as seguintes características Capacidade de infiltração saturada 195 mmh Capacidade de infiltração do solo seco 38 mmh β 51 h1 Para o evento de chuva apresentado a seguir calcule o volume escoamento superficialmente em mm e a relação entre volume escoado e precipitado C QP Exemplo T h Precip mm Potencial Infiltrado Ac mm Potencial Infiltrado Desac mm Volume Infiltrado mm Chuva Exced mm 1 25 2311 2311 25 2 20 4263 1952 1952 3 50 6213 1950 1950 4 30 8163 1950 1950 5 20 10113 1950 1950 C 𝑉𝑓 𝑓𝑐 𝑡 𝑓𝑜 𝑓𝑐 𝛽 1 𝑒𝛽𝑡 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 Precipitação mm Tempo h Precip mm 69 Infiltração Fluxo de água no meio não saturado Modelo de Horton Considere uma bacia de contribuição com um solo que possui as seguintes características Capacidade de infiltração saturada 195 mmh Capacidade de infiltração do solo seco 38 mmh β 51 h1 Para o evento de chuva apresentado a seguir calcule o volume escoamento superficialmente em mm e a relação entre volume escoado e precipitado C QP Exemplo T h Precip mm Potencial Infiltrado Ac mm Potencial Infiltrado Desac mm Volume Infiltrado mm Chuva Exced mm 1 25 2311 2311 25 000 2 20 4263 1952 1952 048 3 50 6213 1950 1950 3050 4 30 8163 1950 1950 1050 5 20 10113 1950 1950 050 C 𝑉𝑓 𝑓𝑐 𝑡 𝑓𝑜 𝑓𝑐 𝛽 1 𝑒𝛽𝑡 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 Precipitação mm Tempo h Precip mm Chuva Exced mm 70 Infiltração Fluxo de água no meio não saturado Modelo de Horton Considere uma bacia de contribuição com um solo que possui as seguintes características Capacidade de infiltração saturada 195 mmh Capacidade de infiltração do solo seco 38 mmh β 51 h1 Para o evento de chuva apresentado a seguir calcule o volume escoamento superficialmente em mm e a relação entre volume escoado e precipitado C QP Exemplo T h Precip mm Potencial Infiltrado Ac mm Potencial Infiltrado Desac mm Volume Infiltrado mm Chuva Exced mm 1 25 2311 2311 25 000 2 20 4263 1952 1952 048 3 50 6213 1950 1950 3050 4 30 8163 1950 1950 1050 5 20 10113 1950 1950 050 1225 4198 C 𝑉𝑓 𝑓𝑐 𝑡 𝑓𝑜 𝑓𝑐 𝛽 1 𝑒𝛽𝑡 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 Precipitação mm Tempo h Precip mm Chuva Exced mm 034 71 Infiltração Medição de Infiltração Infiltrômetro O infiltrômetro de anéis concêntricos é constituído de dois anéis concêntricos de chapa metálica com diâmetros variando entre 16 e 40 cm que são cravados verticalmente no solo de modo a restar uma pequena altura livre sobre este Aplicase água em ambos os cilindros mantendo uma lâmina líquida de 1 a 5 cm sendo que no cilindro interno medese o volume aplicado a intervalos fixos de tempo bem como o nível da água ao longo do tempo A finalidade do cilindro externo é manter verticalmente o fluxo de água do cilindro interno onde é feita a medição da capacidade de campo A capacidade de infiltração instantânea é dada por 72 Evapotranspiração O retorno da água precipitada para a atmosfera fechando o ciclo hidrológico ocorre através do processo da evapotranspiração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Evaporação Transpiração Evaporação é o processo de transferência de água líquida para vapor do ar diretamente de superfícies líquidas como lagos rios reservatórios poças e gotas de orvalho A transpiração envolve a retirada da água do solo pelas raízes das plantas o transporte da água através da planta até as folhas e a passagem da água para a atmosfera através dos estômatos da folha 73 Evapotranspiração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Evaporação Calor Latente A quantidade de energia que uma molécula de água líquida precisa para romper a superfície e evaporar é chamada calor latente de evaporação O calor latente de evaporação pode ser dado por unidade de massa de água como abaixo em que Ts é a temperatura de superfície da água em C 74 Evapotranspiração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Fatores que afetam a evaporação Radiação Solar O processo de fluxo de calor latente é onde ocorre a evaporação A intensidade desta evaporação depende da disponibilidade de energia Regiões mais próximas ao Equador recebem maior radiação solar e apresentam maiores taxas de Evapotranspiração Da mesma forma em dias de céu nublado a radiação solar é refletida pelas nuvens e nem chega a superfície reduzindo a energia disponível para a evapotranspiração Temperatura A quantidade de vapor de água que o ar pode conter varia com a temperatura Ar mais quente pode conter mais vapor portanto o ar mais quente favorece a evaporação Umidade do Ar Quanto menor a umidade do ar mais fácil é o fluxo de vapor da superfície que está evaporando O efeito é semelhante ao da temperatura Se o ar da atmosfera próxima à superfície estiver com umidade relativa próxima a 100 a evaporação diminui porque o ar já está praticamente saturado de vapor 75 Evapotranspiração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Fatores que afetam a evaporação Velocidade do Vento O vento é uma variável importante no processo de evaporação porque remove o ar úmido diretamente do contato da superfície que está evaporando ou transpirando A retirada do ar úmido na interface arágua pode ocorrer também pela própria ascensão do ar quente menos denso Com vento forte a turbulência é maior e a transferência para regiões mais altas da atmosfera é mais rápida e a umidade próxima à superfície é menor aumentando a taxa de evaporação Outros Fatores Tipos de Solos para evaporação direta do solo Vegetação diferentes vegetações podem exercer mais ou menos controle sobre a transpiração Tamanho do reservatório ou lago O que existe em volta efeito oásis Solos arenosos úmidos têm evaporação maior do que solos argilosos úmidos 76 Evapotranspiração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Medição de Evaporação A evaporação é medida de forma semelhante à precipitação utilizandose unidades de mm para caracterizar a lâmina evaporada de um determinado intervalo de tempo As formas mais comuns de medir a evaporação são o Tanque Classe A e o Evaporímetro de Piché O Tanque Classe A é um recipiente metálico que tem forma circular com dimensões específicas Deve permanecer com água variando entre 50 e 75 cm da borda superior A medição de evaporação no tanque é realizada diariamente diretamente numa régua instalada dentro do tanque sendo compensados os valores da precipitação do dia Assim o Tanque Classe A é instalado em estações meteorológicas em conjunto com um pluviômetro O fator que relaciona a evaporação de um reservatório e do Tanque Classe A oscila entre 06 e 08 pois a água no reservatório normalmente está mais fria que no tanque que tem um volume pequenoe e está completamente exposta à radiação solar O valor mais comum de ser utilizado é 07 Elago Etanque Ft onde 06 Ft 08 77 Evapotranspiração Fonte Porto 2003 Apostila de Evapotranspiração Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Medição de Evaporação O Evaporímetro de Píché é basicamente um tubo cilíndrico de vidro de 25 cm de comprimento e 15 cm de diâmetro Esse tubo é graduado e fechado em sua parte superior a abertura inferior é obturada por uma folha circula em papelfiltro padronizado de 30 mm de diâmetro e 05 mm de espessura fixado por capilaridade e mantido por uma mola O aparelho é previamente cheio de água destilada a qual se evapora progressivamente pela folha de papelfiltro A diminuição do nível de água no tubo permite calcular a taxa de evaporação 78 Evapotranspiração Evaporação em Lagos e Reservatórios SOBRADINHO 79 Evapotranspiração Evaporação em Lagos e Reservatórios SOBRADINHO O reservatório de Sobradinho um dos mais importantes do rio São Francisco tem uma área superficial de 4214 km2 constituindose no maior lago artificial do mundo está numa das regiões mais secas do Brasil Em conseqüência disso a evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m3s1 o que corresponde a cerca de 10 da vazão regularizada do rio São Francisco Esta perda de água por evaporação é superior à vazão prevista para o Projeto de Transposição do rio São Francisco 80 Evapotranspiração Evaporação em Lagos e Reservatórios Exemplo Um rio cuja vazão média é de 34 m3s foi represado por uma barragem para geração de energia elétrica A área superficial do lago criado é de 5000 hectares Medições de evaporação de um tanque classe A correspondem a 1600 mm por ano qual é a nova vazão média a jusante da barragem após a formação do lago Fonte Collischonn Dornelles 2013 81 Evapotranspiração Evaporação em Lagos e Reservatórios Exemplo Um rio cuja vazão média é de 34 m3s foi represado por uma barragem para geração de energia elétrica A área superficial do lago criado é de 5000 hectares Medições de evaporação de um tanque classe A correspondem a 1600 mm por ano qual é a nova vazão média a jusante da barragem após a formação do lago Fonte Collischonn Dornelles 2013 Respostas Evaporação a ser considerada E 1600 mmano x 07 1120 mmano 112 mano E 112 mano x 5000 ha 112 x 5000 x 10000 m² 56000000 m³ano E 56000000 m³ano 365 dias x 86400 sdia 178 m³s A nova vazão média será 34 178 3222 m³s Isso representa uma redução de 5 82 Evapotranspiração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Transpiração A transpiração é a retirada da água do solo pelas raízes das plantas o transporte da água através das plantas até as folhas e a passagem da água para a atmosfera através dos estômatos da folha É influenciada por Radiação solar Temperatura Umidade relativa do ar Velocidade do vento Tipo de vegetação Tipo de solo Como o processo de transpiração é a transferência da água do solo uma das variáveis mais importantes é a umidade do solo Quando o solo está úmido as plantas transpiram livremente e a taxa de transpiração é controlada pelas variáveis atmosféricas Porém quando o solo começa a secar o fluxo de transpiração começa a diminuir 83 Evapotranspiração Estimativa de Evapotranspiração Podemos calcular a evapotranspiração de uma bacia a partir de Balanço Hídrico Equação de Thornthwaite Equação de PenmanMonteith Outros métodos 84 Evapotranspiração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Estimativa de Evapotranspiração Balanço Hídrico Método de estimativa simples com base nos dados precipitação e vazão de uma bacia Avaliando o balanço num longo período sequência de anos podemos desprezar o armazenamento Então a equação do balanço é igual a Q P E Chuva e vazão são de fácil mensuração 85 Evapotranspiração Estimativa de Evapotranspiração Balanço Hídrico Exemplo Uma bacia recebe anualmente 1600 mm de chuva e a vazão média corresponde a 700 mm A evapotranspiração pode ser calculada por balanço hídrico E P Q E 1600 700 900 mmano 86 Evapotranspiração Estimativa de Evapotranspiração Podemos calcular a evapotranspiração de uma bacia a partir de Balanço Hídrico Equação de Thornthwaite Equação de PenmanMonteith Outros métodos Nessas equações podemos considerar apenas a temperatura a temperatura e a umidade do ar a temperatura e a radiação solar A insolação temperatura umidade relativa velocidade do vento Equações de Penmann 87 Evapotranspiração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Estimativa de Evapotranspiração Equação de Thornthwaite Essa equação permite estimar a evapotranspiração potencial mensal Conforme Tucci 2013 a equação original é baseada em dados de precipitação e escoamento de inúmeras bacias hidrográficas localizadas nas regiões central e leste dos EUA onde predomina um clima mais temperado com invernos úmidos e verões secos Sua aplicação nas demais regiões do mundo exigiu a adaptação de um fator de correção Para uma latitude baixa o fator de correção não tem muita importância mas para uma latitude de 30S como é o caso do RS os valores do fator de correção sugeridos podem alterar o valor original em mais de 20 T temperatura média do mês ºC a parâmetro que depende da região I índice de temperatura a I 10 T 16 ET 12 1 j 514 1 j 5 T I 0 49239 I 1 792 10 I 7 71 10 I 6 75 10 a 2 2 5 3 7 Fonte Tucci 2013 Fator de correção do método de Thornthwaite UNESCO 1982 88 Evapotranspiração Estimativa de Evapotranspiração Equação de Thornthwaite Exemplo Calcule a evapotranspiração potencial mensal para o mês de Agosto de 2018 em Porto Alegre onde as temperaturas médias mensais para uma série de 10 anos são dadas na figura abaixo Suponha que a temperatura média de agosto de 2018 tenha sido de 153C 89 Evapotranspiração Estimativa de Evapotranspiração Equação de Thornthwaite Exemplo Calcule a evapotranspiração potencial mensal para o mês de Agosto de 2018 em Porto Alegre onde as temperaturas médias mensais para uma série de 10 anos são dadas na figura abaixo Suponha que a temperatura média de agosto de 2018 tenha sido de 153C O primeiro passo é o cálculo do coeficiente I a partir das temperaturas médias obtidas da tabela A partir disso podemos calcular a 0 49239 I 1 792 10 I 7 71 10 I 6 75 10 a 2 2 5 3 7 Mês Temperatura C T51514 1 2460 2 2480 3 2300 4 2000 5 1680 6 1440 7 1460 8 1530 9 1650 10 1750 11 2140 12 2550 I 12 1 j 514 1 j 5 T I a 21 Mês Temperatura C T51514 1 2460 1116 2 2480 1130 3 2300 1008 4 2000 816 5 1680 626 6 1440 496 7 1460 507 8 1530 544 9 1650 610 10 1750 666 11 2140 904 12 2550 1178 I 9600 90 Evapotranspiração Estimativa de Evapotranspiração Equação de Thornthwaite Exemplo Calcule a evapotranspiração potencial mensal para o mês de Agosto de 2018 em Porto Alegre onde as temperaturas médias mensais para uma série de 10 anos são dadas na figura abaixo Suponha que a temperatura média de agosto de 2018 tenha sido de 153C O segundo passo é calcular a evapotranspiração potencial com estes valores 𝐸𝑇 16 10153 96 21 426 𝑚𝑚𝑚ê𝑠 Considerandose um fator de correção a Evapotranspiração Potencial passa a ser 𝐸𝑇𝑃 096 426 𝟒𝟎 𝟗 𝒎𝒎𝒎ê𝒔 91 Evapotranspiração Fonte Collischonn Dornelles 2013 Estimativa de Evapotranspiração Equação de PenmanMonteith A Equação na sua forma mais geral é O fluxo de água para as camadas superiores da atmosfera deve vencer a resistência superficial plantas e a aerodinâmica camada mais baixa de ar Comentários É a melhor equação disponível É genérica Precisa de muitos dados e alguns dados são difíceis de obter 92 Evapotranspiração Evapotranspiração Potencial ETP versus Evapotranspiração Real ETR Fonte Collischonn Dornelles 2013 Evapotranspiração Potencial ETP Quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração em uma unidade de tempo de uma superfície extensa completamente coberta de vegetação de porte baixo e bem suprida de água Penman 1956 Evapotranspiração real ETR Quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração 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 𝐸𝑇𝑅 𝐸𝑇𝑃 𝐾𝑐 Conversão Kc é o coeficiente de cultivo A vegetação adotada como referência normalmente é um tipo de grama Assim o Kc varia de acordo com a umidade do solo O Kc raramente supera 10 mas alguns tipos de vegetação possuem EVP superior à da grama de referência e nesses casos o valor de Kc pode chegar até cerca de 12