II - Infiltração, Evaporação, Evapotranspiração e Balanço Hídrico

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<p>Hidrologia</p><p>Responsável pelo Conteúdo:</p><p>Prof.ª M.ª Luciana Vasques Correia da Silva</p><p>Revisão Textual:</p><p>Prof. Me. Claudio Brites</p><p>Infi ltração, Evaporação, Evapotranspiração e Balanço Hídrico</p><p>Infiltração, Evaporação,</p><p>Evapotranspiração e Balanço Hídrico</p><p>• Apresentar as características e o método de dimensionamento do escoamento por infiltração;</p><p>• Apresentar as generalidades do processo de evaporação e a interferência no balanço hídrico.</p><p>OBJETIVOS DE APRENDIZADO</p><p>• Infiltração;</p><p>• Evaporação e Evapotranspiração;</p><p>• Balanço Hídrico.</p><p>UNIDADE Infiltração, Evaporação, Evapotranspiração</p><p>e Balanço Hídrico</p><p>Infiltração</p><p>Por definição, entende-se que a infiltração é a penetração da água nas camadas de</p><p>solo próximas à superfície do terreno.</p><p>Infiltração é o fenômeno de penetração da água nas camadas do solo</p><p>próximas à superfície do terreno, movendo-se no sentindo descenden-</p><p>te, através dos vazios, pela ação da gravidade, até atingir uma camada</p><p>suporte (impermeável), que a retém, formando assim a água do solo.</p><p>(MARTINS, 1976)</p><p>A água que precipita em uma determinada área pode seguir diferentes trajetos. Se essa</p><p>área for composta por vegetação, parte dessa precipitação é interceptada por ela. Havendo</p><p>desníveis no terreno, então uma parte da precipitação ficará retida nessas depressões.</p><p>Outra parte da precipitação infiltra no solo e o excedente escoa pela superfície do solo.</p><p>A água que infiltra no solo continua seu movimento descendente até uma camada imper-</p><p>meável, este movimento da água já infiltrada é denominado percolação (GENOVEZ, 2004).</p><p>Déficit de Água: Quando a demanda por água é maior que a disponibilidade hídrica, o déficit</p><p>de água pode ocorrer em decorrência de fatores climáticos como a falta de chuva, por exemplo,</p><p>ou por ações antrópicas (aterramento de nascentes para uso do solo no meio rural).</p><p>Fases de Infiltração</p><p>O processo de infiltração da água no solo pode ser dividido em três fases distintas</p><p>(PINTO et al.,1976):</p><p>• Fase de Intercâmbio: A água é precipitada próxima a superfície do solo e pode</p><p>retornar à atmosfera por evaporação (aspiração capilar) ou ser absorvida por</p><p>raízes de plantas;</p><p>• Fase de Descida: Água se desloca por gravidade até atingir uma camada suporte</p><p>de solo impermeável;</p><p>• Fase de Circulação: Quando a água chega na camada impermeável ocorre a</p><p>formação dos lençóis subterrâneos, em função do acúmulo de água que saturou o</p><p>solo. A água circula devido à declividade das camadas impermeáveis.</p><p>Os lençóis subterrâneos que se formam na fase de circulação da infiltração podem ser</p><p>divididos em lençol freático e lençol cativo.</p><p>Um lençol freático possui a sua superfície livre, portanto, com pressão atmosférica.</p><p>O lençol cativo encontra-se confinado entre duas camadas impermeáveis, por este</p><p>motivo, a pressão na superfície superior do lençol é diferente da pressão atmosférica.</p><p>8</p><p>9</p><p>Figura 1 – Infi ltração da Água no Solo</p><p>Fonte: Wikimedia Commons</p><p>Movimento da água no solo. Disponível em: https://bit.ly/3HqH2wy</p><p>Grandezas Características</p><p>As características que um solo possui no momento do início da precipitação influen-</p><p>ciam na forma como ocorre a infiltração.</p><p>Algumas dessas grandezas características são apresentadas a seguir (PINTO et al.,1976):</p><p>• Capacidade de Infiltração: Capacidade máxima que um solo pode absorver na</p><p>unidade de tempo por unidade de área horizontal (mm/h ou mm/dia);</p><p>• Distribuição Granulométrica: Distribuição das partículas da amostra do solo</p><p>basea da em suas dimensões, formando, assim, a Curva da Distribuição Granulomé-</p><p>trica (D10 → diâmetro efetivo);</p><p>• Coeficiente de Uniformidade: Determinado pela relação entre os tamanhos dos</p><p>grãos do solo (D60 e D10);</p><p>• Velocidade de Infiltração: Velocidade média de escoamento da água através do</p><p>solo saturado, isto é, a relação entre a quantidade de água que passa através de uma</p><p>unidade de área do solo e o tempo (m/s ou m/dia);</p><p>• Porosidade: Volume de vazios de um solo e seu volume total (%);</p><p>• Coeficiente de Permeabilidade: Velocidade de filtração da água em um solo satu-</p><p>rado com perda de carga unitária que pode variar com a temperatura (viscosidade</p><p>da água);</p><p>• Suprimento Específico: Quantidade máxima que pode ser obtida de um solo por</p><p>drenagem natural (%);</p><p>• Retenção Específica: Quantidade de água que fica no solo após a drenagem natural (%).</p><p>Portanto: Porosidade = Suprimento + Retenção .</p><p>9</p><p>UNIDADE Infiltração, Evaporação, Evapotranspiração</p><p>e Balanço Hídrico</p><p>Fatores Intervenientes</p><p>Tucci (2012) descreve alguns fatores que podem interferir na capacidade de infiltração</p><p>do solo durante uma precipitação.</p><p>A capacidade de infiltração de um solo pode ser afetada pelo tipo e quantidade de vazios</p><p>presentes no solo. Quanto maior o número de vazios no solo, maior será a infiltração</p><p>(porosidade). Entretanto, o ar presente nos vazios do solo é comprimido pela água que</p><p>infiltra no solo e essa ação pode retardar a infiltração.</p><p>O grau de umidade do solo reflete na capacidade de absorção da precipitação</p><p>pelo solo. Portanto, quanto mais seco o solo no início da precipitação, maior será a</p><p>ação de capilaridade.</p><p>A ação da precipitação sobre o solo, dependendo da intensidade do fenômeno, pode</p><p>provocar erosão por impacto. Em solo com granulometria mais fina, o material da camada</p><p>superior do solo pode ser compactado, como consequência dessa ação, a capacidade de</p><p>infiltração do solo tende a diminuir.</p><p>A compactação do solo devido à ação do homem, veículos e áreas de pastagem para</p><p>animais pode interferir no grau de impermeabilidade do solo. Por outro lado, o tipo de</p><p>cobertura vegetal favorece a diminuição da erosão, retira umidade do solo, impede a sua</p><p>compactação e ainda retém o escoamento superficial.</p><p>A mudança de temperatura influi na viscosidade da água da precipitação, o que afeta</p><p>diretamente a capacidade de capilaridade.</p><p>Outro fator que interfere na capacidade de infiltração do solo são as macroestruturas</p><p>do terreno. O cultivo da terra, escavações por animais, decomposição de raízes podem</p><p>provocar aumento na porosidade do solo.</p><p>Capacidade de Infiltração</p><p>Os equipamentos utilizados para determinar de forma direta a capacidade de infiltração</p><p>do solo são denominados Infiltrômetros.</p><p>Tucci (2012) apresenta o infiltrômetro por inundação e o infiltrômetro com simulador.</p><p>No primeiro tipo, a aplicação da água é feita por inundação da área de estudo, no segundo,</p><p>a aplicação da água é feita por simuladores de chuva.</p><p>10</p><p>11</p><p>Figura 2 – Infi ltrômetro por Inundação</p><p>Fonte: Reprodução</p><p>O valor determinado por esse tipo de equipamento pode ser considerado relativo,</p><p>devido aos efeitos de cravação dos tubos, ausência do efeito de compactação da chuva e</p><p>fuga do ar pela lateral dos tubos.</p><p>Figura 3 – Infi ltrômetro com Simulador</p><p>Fonte: Reprodução</p><p>Pinto et al. (1976) mostram que para determinar a capacidade de infiltração, ou</p><p>seja, a taxa de infiltração, o Método de Horton (1939) estabelece para o solo que é sub-</p><p>metido a uma precipitação com intensidade superior à sua capacidade de infiltração a</p><p>seguinte equação:</p><p>11</p><p>UNIDADE Infiltração, Evaporação, Evapotranspiração</p><p>e Balanço Hídrico</p><p>( )0</p><p>kt</p><p>c cf f f f e−= + −</p><p>Em que:</p><p>• f → Capacidade de infiltração em determinado instante t (mm/h);</p><p>• fc → Valor constante da capacidade de infiltração, decorrido algum tempo (mm/h);</p><p>• f0 → Valor da capacidade de infiltração correspondente ao início da precipitação</p><p>(mm/h);</p><p>• k → Constante.</p><p>Uma observação que o autor faz é que a Equação de Horton foi desenvolvida para</p><p>bacias hidrográficas com pequena área.</p><p>Perda de Água por Infiltração: Propriedades Físicas e Químicas de Solos de Reservatórios da</p><p>Aquicultura. Disponível em: https://bit.ly/3Ev7qDF</p><p>Evaporação e Evapotranspiração</p><p>Os fenômenos de evaporação e de transpiração são partes constituintes do ciclo hi-</p><p>drológico por onde ocorre a circulação da água no planeta.</p><p>O conhecimento sobre a forma que esses fenômenos ocorrem e agem contribui para</p><p>o aperfeiçoamento dos estudos relacionados à economia de água em reservatórios</p><p>de</p><p>superfície, previsão de cheias e ainda para a melhoria das condições ecológicas.</p><p>Por definição, a evaporação é a mudança de estado da água em vapor, e a transpira-</p><p>ção é a evaporação da água dos vegetais. Portanto, a evapotranspiração é a soma das</p><p>duas ações (Evaporação + Transpiração).</p><p>Para que esses fenômenos ocorram, a radiação solar é a fonte de energia primária</p><p>para a variabilidade dos eventos atmosféricos.</p><p>Grandezas Características</p><p>As características mais importantes no processo de evaporação podem ser separadas</p><p>em dois grupos distintos, a perda por evaporação e a intensidade de evaporação ou de</p><p>transpiração (PINTO et al., 1976).</p><p>A perda por evaporação é definida como a quantidade de água evaporada em um</p><p>intervalo de tempo (mm). E a intensidade de evaporação ou de transpiração é conside-</p><p>rada como a velocidade com que se processam as perdas por evaporação (mm/h ou</p><p>mm/dia).</p><p>12</p><p>13</p><p>Fatores Intervenientes</p><p>Tucci (2012) apresenta alguns fatores que intervêm no processo de evaporação:</p><p>• Grau de Umidade Relativa do Ar: quanto maior a quantidade de vapor de água</p><p>no ar, maior o grau de umidade e assim menor a intensidade da evaporação;</p><p>( )0 aE C p p= − * Lei de Dalton</p><p>Em que:</p><p>» E → Intensidade da evaporação (mm/h);</p><p>» C → Constante;</p><p>» p0 → Pressão de saturação do vapor de água à temperatura da água;</p><p>» pa → Pressão do vapor de água presente no ar.</p><p>• Temperatura: Quanto menor a temperatura, menor é a pressão de saturação do</p><p>vapor de água (menor quantidade de vapor de água no mesmo volume de ar).</p><p>Tabela 1 – Relação entre Temperatura e Pressão do vapor de água</p><p>Temperatura Pa</p><p>5°C 0,0089</p><p>15°C 0,0174</p><p>• Vento: Retira a umidade do ar, isto pode ser mais bem observado em lagos pequenos,</p><p>em que a influência é maior;</p><p>• Radiação Solar: Energia que o planeta recebe na forma de ondas eletromagnéticas,</p><p>oriundas do Sol. A média anual é de 0,1 a 0,2 kW/m2, que evapora 1,3 a 2,60 metros</p><p>de lâmina de água;</p><p>• Pressão Barométrica: Sua influência é pequena no processo. Quando a altitude é</p><p>menor, a pressão aumenta e a intensidade de evaporação diminui;</p><p>• Salinidade da Água: Quando o teor de sal na água é alto, a intensidade da evaporação</p><p>será menor;</p><p>• Tipo de Solo e Vegetação: Quanto mais arenoso for o solo, menor será a evapo-</p><p>ração. A vegetação diminui as perdas por evaporação da superfície do solo, mas</p><p>aumenta a transpiração;</p><p>• Tamanho da Superfície Evaporante: Quanto menor for a superfície, menor será</p><p>a evaporação.</p><p>Medida Evaporação Evapotranspiração</p><p>Os métodos utilizados para a determinação da quantidade de evaporação e evapo-</p><p>transpiração em uma bacia hidrográfica são as fórmulas empíricas, baseadas na Lei</p><p>de Dalton e no método da medição direta por equipamentos. As fórmulas empíricas</p><p>apresentam bons resultados, mas necessitam de muitos parâmetros, por esse motivo, as</p><p>medições diretas constituem uma boa solução (PINTO et al.,1976).</p><p>13</p><p>UNIDADE Infiltração, Evaporação, Evapotranspiração</p><p>e Balanço Hídrico</p><p>A medição direta da evaporação na água é realizada pelo Evaporímetro de superfície</p><p>líquida, que mede a evaporação através de uma superfície de água, sendo o Tanque Classe</p><p>A o tipo de evaporímetro mais conhecido.</p><p>R TCAE k E= ×</p><p>Em que:</p><p>• ER → Intensidade da evaporação real (mm/dia);</p><p>• K → 0,7 (Tabelado);</p><p>• ETCA → Evaporação total do tanque classe A.</p><p>Figura 4 – Tanque Classe A</p><p>Fonte: Reprodução</p><p>Com os dados coletados do tanque, determina-se o volume evaporado em um</p><p>reservatório de água, utilizando a equação a seguir:</p><p>20,7. .</p><p>3ol ETCA máxV h A=</p><p>Em que:</p><p>• Vol → Volume evaporado no reservatório de água (m3);</p><p>• HETCA → Altura da água evaporada no tanque classe A (m);</p><p>• Amáx → Área do reservatório de água (m2).</p><p>Para a medição direta da evaporação no solo, o evaporímetro mais utilizado é o</p><p>Evaporímetro do tipo Lisímetro:</p><p>E P l R= − + ∆</p><p>Em que:</p><p>• P → Quantidade de precipitação;</p><p>• L → Quantidade de água drenada;</p><p>• ∆R → Quantidade de água acumulada no lisímetro.</p><p>14</p><p>15</p><p>Figura 5 – Lisímetro</p><p>Fonte: Reprodução</p><p>A medição direta do fenômeno de evapotranspiração pode ser realizada com a uti-</p><p>lização do Tanque Classe A, fazendo as correções com o fator de conversão potencial</p><p>(GENOVEZ, 2004).</p><p>TP TCAE q E= ×</p><p>Em que:</p><p>• ETP → Evapotranspiração (mm/dia );</p><p>• q → Fator de conversão da evaporação no tanque classe A para evapotranspiração</p><p>(tabelado em função das características meteorológicas e da vegetação );</p><p>• ETCA → Evaporação total do tanque classe A.</p><p>Balanço Hídrico</p><p>A importância da estimativa do balanço hídrico de uma bacia hidrográfica tem o</p><p>objetivo de avançar no uso racional dos recursos hídricos e entender melhor o funciona-</p><p>mento do sistema e suas alternâncias (TUCCI, 2012).</p><p>No balanço hídrico, as principais variáveis envolvidas no tempo e espaço são a precipi-</p><p>tação, a evaporação, a evapotranspiração e o escoamento superficial e subterrâneo.</p><p>15</p><p>UNIDADE Infiltração, Evaporação, Evapotranspiração</p><p>e Balanço Hídrico</p><p>A equação a seguir expressa o balanço hídrico de uma bacia hidrográfica:</p><p>( )0t TPV V P Q E t= + − − ∆</p><p>Em que:</p><p>• Vt → volume de umidade na bacia no final do intervalo de tempo;</p><p>• V0 → volume de umidade na bacia no início do intervalo de tempo;</p><p>• P → precipitação;</p><p>• Q → vazão dos escoamentos;</p><p>• ETP → Evapotranspiração;</p><p>• ∆t → intervalo de tempo.</p><p>Informações sobre recursos hídricos. Disponível em: https://bit.ly/31LctkC</p><p>16</p><p>17</p><p>Material Complementar</p><p>Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade:</p><p>Sites</p><p>Departamento de Águas e Energia Elétrica – Hidrologia</p><p>https://bit.ly/3n8wCte</p><p>Livros</p><p>Princípios de Climatologia e Hidrologia</p><p>MACHADO, V. D. S. (2017) “Princípios de Climatologia e Hidrologia”. Sagah, Porto</p><p>Alegre. (e-book)</p><p>Vídeos</p><p>Como Fazer o Balanço Hídrico | Intensive Care</p><p>https://youtu.be/ITQReQwC2kU</p><p>Leitura</p><p>Estimativa da Infiltração de Água no Solo na Escala de Bacia Hidrográfica</p><p>https://bit.ly/3c8Odel</p><p>17</p><p>UNIDADE Infiltração, Evaporação, Evapotranspiração</p><p>e Balanço Hídrico</p><p>Referências</p><p>GENOVEZ, A. M. Complementos de Hidrologia. Notas de Aula. Universidade Estadual</p><p>de Campinas, 2004.</p><p>PINTO, N. S. et al. Hidrologia Básica. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda., 1976.</p><p>TUCCI, C. E. M. Hidrologia Ciência e Aplicação. 4 ed. São Paulo: Editora ABRH, 2012.</p><p>18</p>