HidrologiaEvapotranspiraoCarlos Ruberto Fragoso Jr.http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj/

Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neveshttp://www.ctec.ufal.br/professor/mgn/

Ctec - Ufal

Conceito GeralFatores que afetam a evapotranspiraoMedio da evaporaoEvaporao em lagos e reservatriosEstimativa da evapotranspiraoMedioClculo

Evapotranspirao

Evaporao (E) Processo pelo qual se transfere gua do solo e das massas lquidas para a atmosfera. No caso da gua no planeta Terra ela ocorre nos oceanos, lagos, rios e solo.Transpirao (T) Processo de evaporao que ocorre atravs da superfcie das plantas. A taxa de transpirao funo dos estmatos, da profundidade radicular e do tipo de vegetao.Conceito Geral - Evapotranspirao

Ocorre quando o estado da gua transformado de lquido para gasoso devido energia solar

Mleculas da gua lquida rompem a barreira da superfcie (liberando energia)

necessrio que o ar no esteja saturadoEvaporaoDefinies

Definiesquantidade de energia que uma molcula de gua lquida precisa para romper a superfcie e evaporarcalor latente de evaporao

Transpirao desde as razes at as folhas, pelo sistema condutor, pelo estabelecimento de um gradiente de potencial desde o solo at o arTranspirao no Sistema Solo Planta AtmosferaO gradiente de tenso de vapor de gua tambm favorece o fluxoQuanto mais seco estiver o ar (menor Umidade Relativa), maior ser esse gradiente

Evapotranspirao (ET) Processo simultneo de transferncia de gua para a atmosfera atravs da evaporao (E) e da transpirao (T).Potencial (ETP)Real (ETR)Transpirao no Sistema Solo Planta Atmosfera

DefiniesETP Quantidade de gua transferida para a atmosfera por evaporao e transpirao, em uma unidade de tempo, de uma superfcie extensa, completamente coberta de vegetao de porte baixo e bem suprida de gua (Penman,1956)ETR Quantidade de gua transferida para a atmosfera por evaporao e transpirao, nas condies reais (existentes) de fatores atmosfricos e umidade do solo. A ETR igual ou menor que a evapotranspirao potencial (Gangopadhyaya et al, 1968)

Umidade do ar

Temperatura do ar

Velocidade do vento

Radiao solar

Tipo de solo

Vegetao (transpirao)Fatores que afetam

Quanto maior a temperatura, maior a presso de saturao do vapor de gua no ar, isto , maior a capacidade do ar de receber vapor.

Para cada 10oC, P0 duplicadaTemperatura

Temperatura (oC)0102030P0 (atm)0,00620,01250,02380,0431

Temperatura

Umidade relativa medida do contedo de vapor de gua do ar em relao ao contedo de vapor que o ar teria se estivesse saturadoonde UR a umidade relativa; w a massa de vapor pela massa de ar e ws a massa de vapor por massa de ar no ponto de saturao.Umidade do ArAr com umidade relativa de 100% est saturado de vapor, e ar com umidade relativa de 0% est completamente isento de vapor

Tambm pode ser expressa em termos de presso parcial de vapor.

Lei de Dalton cada gs que compe um a mistura exerce uma presso parcial, independente da presso dos outros gases, igual presso que se fosse o nico gs a ocupar o volume

No ponto de saturao a presso parcial do vapor corresponde presso de saturao do vapor no ar, e a equao anterior pode ser reescrita como:Umidade do Aronde UR a umidade relativa; e a presso parcial de vapor no ar e es presso de saturao.

O vento renova o ar em contato com a superfcie que est evaporando (superfcie da gua; superfcie do solo; superfcie da folha da planta).Com vento forte a turbulncia maior e a transferncia para regies mais altas da atmosfera mais rpida, e a umidade prxima superfcie menor, aumentando a taxa de evaporaoVento

A quantidade de energia solar que atinge a Terra no topo da atmosfera est na faixa das ondas curtas. Na atmosfera e na superfcie terrestre a radiao solar refletida e sofre transformaes:Radiao Solar parte da energia incidente refletida pelo ar e pelas nuvens (26%) parte absorvida pela poeira, pelo ar e pelas nuvens (19%) parte da energia que chega a superfcies refletida de volta para o espao ainda sob a forma de ondas curtas (4% do total de energia incidente no topo da atmosfera)

Radiao SolarA energia absorvida pela terra e pelos oceanos aquecimento destas superfcies depois emitem radiao de ondas longas

Alm disso, o aquecimento das superfcies aquecimento do ar que est em contato fluxo de calor sensvel (ar quente), e o fluxo de calor latente (evaporao)Finalmente, a energia absorvida pelo ar, pelas nuvens e a energia dos fluxos de calor latente e sensvel retorna ao espao na forma de radiao de onda longa, fechando o balano de energia

Radiao Solar

Solos arenosos midos tem evaporao maior do que solos argilosos midosSolo e vegetaoA vegetao:

Controla a transpiraoPode agir fechando os estmatosBusca a umidade de camadas profundas do solo

Solo e vegetaoUmidade do solo uma das variveis mais importantes na transpirao

Solo mido plantas transpiram livremente taxa de transpirao controlada pelas variveis atmosfricas

Solo comea a secar fluxo de transpirao comea a diminuir

Condies ideais de umidade do solo ETP

Condies reais de umidade do solo ETR

Determinao da evaporao e da ET

Relao entre a evaporao e a presso de vapor, com a introduo do efeito do ventoLeva em conta a radiao solar: efetiva de ondas curtas, efetiva de ondas longas, a energia de evaporao, calor sensvel por conduo, caractersticas aerodinmicas mtodo de PenmanAjuste por regresso das variveis envolvidasMedida direta tanque classe A, ...Baseia-se na equao da continuidade do lago ou reservatrioEvaporao

Lismetros e umidade do soloETP Mtodo de thornthwaite, mtodo de Blaney-Criddle. Para determinar ET ET = ETP .kc, onde kc coeficiente de cultura (determinado em lismetros)Baseados na varivel meteorolgica radiao. Equao de Jesen e Haise, ...Chamada de equao de Penman adaptar o clculo da evaporao de superfcies livres para a superfcie de interesse ETP Para intervalos de tempo superiores a 1 semanaEvapotranspirao

Tanque classe AEvapormetro de Pich

Evapormetros medio direta

O mais usado forma circular com um dimetro de 121 cm e profundidade de 25,5 cm Construdo em ao ou ferro galvanizado Pintado na cor alumnio Instalado numa plataforma de madeira a 15 cm da superfcie do solo permanecer com gua variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior.Tanque classe A

Tanque classe ATanque "Classe A" US Weather Bureau O fator que relaciona a evaporao de um reservatrio e do tanque classe A oscila entre 0,6 e 0,8, sendo 0,7 o valor mais utilizado

Tanque classe AFonte : Sabesp

Tanque classe ATanque classe A

Tanque classe A manuteno da gua entre as profundidades recomendadas evita erros de at 15% a gua deve ser renovada turbidez evita erros de at 5% as paredes sofrem com a influncia da radiao e da transferncia de calor sensvel superestimao da evaporao prximos a cultivos de elevada estatura subestimao da evaporao

Constitudo por um tubo cilndrico, de vidro, de aproximadamente 30 cm de comprimento e um centmetro de dimetro, fechado na parte superior e aberto na inferior

A extremidade inferior tapada, depois do tubo estar cheio com gua destilada, com um disco de papel de feltro, de 3 cm de dimetro, que deve ser previamente molhado com gua

Este disco fixo depois com uma mola. A seguir, o tubo preso por intermdio de uma argola a um gancho situado no interior do abrigoEvapormetro de Pich

Evapormetro de Pich

Pich pouco confivel

Evapormetro de Pich

Medio (mais complicada)ClculoEstimativa da evapotranspirao

LismetroDepsitos enterrados, abertos na parte superior, preenchidos com solo e vegetao caractersticaControle das variveis:PesoMedir chuvaColetar gua percoladaColetar gua escoadaSuperfcie homogneaLismetros medio direta

Lismetros medio diretaPrecipitao no solo drenagem para o fundo do aparelho gua coletada e medida

O depsito pesado diariamente, assim como a chuva e os volumes escoados de forma superficial e que saem por orifcios no fundo

ET calculada por balano hdrico entre 2 dias subseqentes

ET = P - Qs Qb V

E evapotranspiraoP chuva (medida num pluvimetro)Qs escoamento superficial (medido)Qb o escoamento subterrneo (medido no fundo do tanque)V variao de volume de gua (medida pelo peso)

Lismetros medio direta

Lismetros medio direta

Lismetros medio direta

Lismetros medio diretahttp://jararaca.ufsm.br/websites/matasul-ufsm/1ca53f95af2a6c15feea202899377cc9.htm

Clculo da ETP baseado na temperaturaThornthwaite: emprica, caracterizada por um nico fator, a temperatura mdia. Foi desenvolvida para climas temperados (inverno mido e vero seco). E = c Tat = temperatura de cada ms CT = temperatura mdia C

Blaney-Criddle: tambm utiliza a temperatura mdia e horas do dia com insolao, para regies semi-ridasETP=(0,457 T + 8,13) pET = ETP . Kcp = % luz diriakc = o coeficiente de cultura.

Clculo da ETP baseado na temperatura

Para estimar evapotranspirao potencial mensalT = temperatura mdia do ms (oC)a = parmetro que depende da regioI = ndice de temperaturaThornthwaitej cada um dos 12 meses do anoTj temperatura mdia de cada um dos 12 meses

ExemploCalcule a evapotranspirao potencial mensal para o ms de Agosto de 2006 em Porto Alegre onde as temperaturas mdias mensais so dadas na figura abaixo.

Suponha que a temperatura mdia de agosto de 2006 tenha sido de 15,3C

MsTemperaturaJaneiro24,6Fevereiro24,8Maro23,0Abril20,0Maio16,8Junho14,4Julho14,6Agosto15,3Setembro16,5Outubro17,5Novembro21,4Dezembro25,5

ExemploO primeiro o clculo do coeficiente I a partir das temperaturas mdias obtidas da tabela. O valor de I 96. A partir de I possvel obter a= 2,1. Com estes coeficientes, a evapotranspirao potencial :Portanto, a evapotranspirao potencial estimada para o ms de agosto de 2006 de 53,1 mm/ms.

Usando a temperatura e a umidade do arUsando a temperatura e a radiao solarEquaes de Penmann (insolao, temperatura, umidade relativa, velocidade do vento)Mais Equaes de clculo da ET

Jensen HaiseTurcGrassiStephens StewartMakkinkMtodos baseados na temperatura e radiao

Mtodos baseados na temperatura do ar e na umidadeBlaney-MorinHamonHargreavesPapadakis

Equaes combinadasPenman evaporaoChristiansenVan BavelPenman - Monteith ampliao de Penman para ETR de uma superfcie vegetada

Combina poder evaporante do artemperatura, umidade, velocidade do ventopoder evaporante da radiaoPenman

PenmanEm que se baseia a equao de Penman? Radiao efetiva de ondas curtas Radiao atmosfrica de ondas longas Radiao atmosfrica de ondas longas Fluxo de calor por conduo Fluxo de calor por perda por evaporaoVC Energia de entrada Energia de sadaW.m-2

PenmanEm que se baseia a equao de Penman?W.m-2 Radiao no topo da atmosfera (Stop) Radiao incidente de onda curta (Ssup) Radiao efetiva de ondas curtas Radiao lquida na superfcie (RL)StopSsupRLa.Ssupondas curtas

PenmanEm que se baseia a equao de Penman? Radiao no topo da atmosfera (Stop) funo da latitude, distncia sol-terra e poca do anoondas curtas

PenmanEm que se baseia a equao de Penman?ondas longas Ln radiao lquida de ondas longas que deixa a superfcie terrestreW.m-2para a superfcief fator de correo devido cobertura de nuvensT [C] temperatura mdia do ar a 2 m do solo emissividade da superfciess constante ( = 4,903.10-9 MJ.m-2.K-4.dia-1)

Penman - MonteithPenman + introduo de um fator de resistncia que leva em considerao o stress de umidade da vegetao e do solo

Penman - Monteith

Penman - Monteith

Penman - MonteithMassa especfica do ar PA a presso atmosfrica em kPaT a temperatura do ar a 2m da superfcie em CMassa especfica do guaTW a temperatura da gua em C

Penman - MonteithPresso de saturao do vapor (es)T a temperatura do ar a 2m da superfcie em CPresso real de vapor de gua no ar (ed)UR a umidade relativa do ar em %

Penman - MonteithCalor latente de vaporizao ()l em MJ.kg-1T a temperatura do ar a 2m da superfcie em CConstante psicromtrica ()taxa de variao da presso de saturao do vapor com a temperatura do ar ()T a temperatura do ar a 2m da superfcie em C

Penman - MonteithResistncia aerodinmica (ra) um,10 a velocidade do vento a 10 m de altura em m/s h a altura da vegetao em m z0 a rugosidade da superfcie (z0 = h/10)

Penman - MonteithResistncia aerodinmica (ra)

Penman - MonteithResistncia aerodinmica (ra)Representa a dificuldade com que a umidade, que deixa a superfcie das folhas e do solo, dispersada pelo meio

Na proximidade da vegetao o ar tende a ficar mais mido, dificultando o fluxo de evaporao

A velocidade do vento e a turbulncia contribuem para reduzir a resistncia aerodinmica, trocando o ar mido prximo superfcie que est fornecendo vapor, como as folhas das plantas ou as superfcies lquidas, pelo ar seco de nveis mais elevados da atmosfera.

Penman - MonteithResistncia aerodinmica (ra)Inversamente proporcional altura dos obstculosenfrentados pelo vento, porque so estes que geram a turbulncia

Penman - MonteithVelocidade do vento a 10 m de altura um,2 a velocidade do vento a 2 m de altura em m/s z0 a rugosidade da superfcie (z0 = h/10)Estaes climatolgicas normalmente dispe de dados de velocidade do vento medidas a 2 m de altura. Para converter estes dado a uma altura de referncia de 10m utilizada a equao ao lado

Penman - MonteithResistncia superficial da vegetao (rs)

Valores de referncia (boas condies de umidade)Grama: rs = 69 s/m (ETP)Florestas superficiais: rs = 100 s/m

Penman - MonteithFluxo de energia para o solo (G)

Por simplicidade, G pode ser considerado nulo Td a temperatura do solo no dia que se deseja calcular a ET T3d a temperatura do solo 3 dias antesRadiao lquida na superfcie (RL) SSUP a radiao de atinge a superfcie (MJ.m-2.s-1) valor medido o albedo, parcela da radiao incidente que refletida (depende do uso e da cobertura vegetal - tabelado)

Penman - Monteith

Penman - MonteithNem sempre estaes meteorolgicas medem a radiao que atinge a superfcie (SSUP);

Quando existem apenas dados de horas de insolao ou da frao de cobertura de nuvens, estima-se a radiao que atinge a superfcie atravs de equaes empricas

Penman Monteith analogia com circuito eltricoFluxo evaporativo corrente eltrica

Dficit de presso de vapor no ar (presso de saturao do vapor menos presso parcial real: es-ed) Diferena de potencial (Voltagem)

Resistncia: combinao de resistncia superficial e resistncia aerodinmica Resistncia eltrica

Penman - MonteithResistncia superficial combinao, para o conjunto da vegetao, da resistncia estomtica das folhas

Representa a resistncia ao fluxo de umidade do solo, atravs das plantas, at a atmosfera

diferente para os diversos tipos de plantas e depende de variveis ambientais (umidade do solo, temperatura do ar e radiao recebida pela planta)

A maior parte das plantas exerce um certo controle sobre a resistncia dos estmatos podem controlar a rs

Penman - MonteithResistncia estomtica das folhas depende da disponibilidade de gua no solo

Em condies favorveis valores de resistncia estomtica e, em conseqncia, os de resistncia superficial so mnimos

ETRETPUmidade do soloSmxETR = evapotranspirao depende da umidade do soloRelaes

RelaesPerodos de estiagem mais longos ET retira umidade do solo ET diminui

A reduo da ET no ocorre imediatamente

Para valores de umidade do solo entre a capacidadede campo e um limite ET no afetada pelaumidade do solo

A partir deste limite ET diminuda mnimo(normalmente zero) no ponto de murcha permanente

Neste ponto rS atinge valores altssimos

Penman Monteith passosObter o dia Juliano (J) para a data que se deseja calcular a ETObter a latitude (f), em graus, do local que se deseja calcular a ETCalcular a declinao solar em radianos

Calcular a distncia relativa da terra ao sol (dr)

5. Calcular o ngulo ao nascer do sol em radianos (s)f a latitude do local em radianos d declinao solar em radianosPenman Monteith passos6. Calcular a insolao mxima (N) para a localizao desejada

7. Calcular a radiao solar que atinge o topo da atmosfera (STOP), em MJ.m-2.dia-1f a latitude do local em radianos d declinao solar em radianoss o ngulo do sol ao nascer em radianosPenman Monteith passos

8. Calcular a radiao solar que atinge o topo da superfcie (SSUP), em MJ.m-2.dia-1 N insolao mxima possvel em horasn isolao medida em horas a frao de atinge a superfcie em dias encobertos (quando n=0)b frao de atinge a superfcie em dias sem nuvens (quando n = N)Penman Monteith passos

Quando no existem dados locais medidos que permitam estimativas mais precisas, so recomendados os valores de 0,25 e 0,50, respectivamente, para os parmetros as e bs;

Quando a estao meteorolgica dispe de dados de insolao, a equao acima utilizada com n medido e N estimado pela equao. Quando a estao dispe de dados de frao de cobertura, utiliza-se o valor de n/N diretamentePenman Monteith passos9. Calcular a radiao solar lquida na superfcie (RL)

Estime a evapotranspirao mdia, em mm/dia, atravs da equao de Penman-Monteith para a cidade de Macei (posto Inmet Ufal), no sbado, dia 23/04/2011ExerccioAbrir planilha Acessar http://www.inmet.gov.br/ observaes estaes automticas ou convencionais localizar a estao da Ufal no mapa colocar a latitude na planilha clicar em dados escolher data e baixar os dados podem ser colocados no Excel

Exerccio

Dados meteorolgicoshttp://meteo.infospace.ru/main.htm

Dados meteorolgicos

Baseados na temperatura : Thorntwaite- muito limitado e tende a subestimar a evapotranspirao; Blaney-Criddle: utilizado para irrigao e considera o tipo de cultura

Radiao ou combinado: Mtodo Penman: utiliza dados climticos como temperatura, radiao solar, insolao, umidade do solo e velocidade do ventoComentrios sobre os mtodos de estimativa

Evapotranspirao potencial : a evaporao do solo e a transpirao das plantas mxima que pode ser transferida para atmosfera. Com base nas condies climticas e caractersticas das plantas possvel estimar a ETP

Evapotranspirao real: a o total transferido para a atmosfera de acordo com a disponibilidade hdrica existente (umidade do solo) e a resistncia das plantas. Evapotranspirao

Mtodo de estimativa simples com base nos dados precipitao e vazo de uma bacia.

A equao da continuidadeS(t+1)=S(t) + (P E - Q)dt

Desprezando a diferena entre S(t+1) S(t) Q= P- E

Simplificao aceita para dt longos como o um ano ou seqncia de anosBalano hdrico

Exemplo: Uma bacia (Rio Passo Fundo) com Precipitao mdia1.941 mm e Vazo de 803 mm (valores mdios de 10anos). A evaporao real E= 1941 803 = 1137 mm

O coeficiente de escoamento a relao entre Q/P

C = 803/1941 = 0,41

ou 41% da precipitao gera escoamento. Balano hdrico

mm/anom3/sA = rea da baciaQ = vazoConverso de unidades

Reservatrios so criados para regularizar a vazo dos rios, aumentando a disponibilidade de gua e de energia nos perodos de escassez

A criao de um reservatrio, entretanto, cria uma vasta superfcie lquida que disponibiliza gua para evaporao, o que pode ser considerado uma perda de gua e de energia Evaporao em reservatrios

A evaporao da gua em reservatrios estimada a partir de medies de Tanques de Classe AEntretanto necessrio aplicar um coeficiente de reduo em relao s medies de tanque a gua do reservatrio normalmente est mais fria do que a gua do tanque, que tem um volume pequeno e est completamente exposta radiao solarEvaporao em reservatrios

Assim, para estimar a evaporao em reservatrios e lagos costuma-se considerar que esta tem um valor de aproximadamente 60 a 80% da evaporao medida em Tanque Classe A na mesma regio, isto :Onde Ft tem valores entre 0,6 e 0,8.Evaporao em reservatrios

Evaporao em lagos e reservatriosReservatrio de Sobradinhoconstituindo-se no maior lago artificial do mundo, est numa das regies mais secas do Brasilrea superficial de 4.214 km2Evaporao direta deste reservatrio estimada em 200 m3.s-1 10% da vazo regularizada do rio So Francisco Esta perda superior vazo prevista para o projeto de transpirao do rio So Francisco

Um rio cuja vazo mdia de 34 m3/s foi represado por uma barragem para gerao de energia eltrica. A rea superficial do lago criado de 5.000 hectares.

Medies de evaporao de um tanque classe A correspondem a 1.500 mm por ano.

Qual a nova vazo mdia a jusante da barragem aps a formao do lago?Exerccio

E = 1.500 x 0,7 mm/anoE = 1,66 m3/sQ = 34 1,66 = 32,34 m3/sReduo de 4,9 % da vazoSoluo

Deseja-se construir um reservatrio em um rio, cuja bacia possui uma rea de 50 km2. A rea de inundao do reservatrio de 10 km2. Estime qual deve ser a reduo de vazo mdia disponvel na bacia. Considere que a evaporao potencial da superfcie da gua de 1.400 mm por ano. A evaporao estimada por balano hdrico antes da construo do reservatrio foi de 1.137 mm por ano. Nestas mesmas condies, a vazo mdia era de 1,41 m3/s e a precipitao de 1.941 mm por ano.Exerccio

ET aps a construoET = (0,7.1.400.10 + 1.137.40)/50 = 1.105,6 mm/ano Q aps a construoQ = 1.941 - 1.105,6 = 835,4 mm/ano Reduo de QQantes = 1,41 m3/sQdepois = 835,4 mm/ano = 1,325 m3/sReduo de 6,45%Exerccio

Captulo 06b***Captulo 06b*Captulo 06b*Captulo 06b*Captulo 06b***