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Universidade Federal de Minas Gerais Instituto de Geociências Departamento de Geografia Climatologia Prof. Wellington Lopes Assis Unidade IV – Balanço Hídrico 4. Balanço Hídrico 4.1. Conceitos Básicos - - Evapotranspiração Potencial (ETP) e Evapotranspiração Real (ETR) - Armazenamento de Água (ARM) - Excedente Hídrico (EXC) e Déficit Hídrico (DEF) 4.2. Cálculo da Evapotranspiração Potencial (ETP) - Utilização do Nomograma de Thornthwaite-Camargo (1962) - Correção da ETP pelo fator p 4.3. Cálculo do Balanço Hídrico - Construção da tabela geral - Elaboração dos gráficos - Exemplos Balanço Hídrico Conceitos Básicos O balanço hídrico é uma técnica que propõe avaliar, a partir de uma capacidade de armazenamento de água no solo pré-definido, a quantidade de água excedente ou seu déficit. A técnica utiliza dados de precipitação e evapotranspiração potencial, que depende da temperatura do ar. A técnica foi proposta por Thornthwaite em 1948 e aperfeiçoada por Thornthwaite e Matter em 1955. A entrada do balanço é a precipitação (P), mm de água precipitada. A saída é a evapotranspiração potencial (ETP) ou real (ETR), que é a evapotranspiração natural contabilizadas em mm. Os produtos do balanço são os excedentes e déficits hídricos para a superfície vegetada. Balanço Hídrico Conceitos Básicos De acordo com Tubelis e Nascimento (1984) e Vianello e Alves (1991), define-se evapotranspiração potencial e evapotranspiração real como: ● Evapotranspiração Potencial (ETP) é a máxima perda de água, na forma de vapor d’água para a atmosfera, que ocorre com uma vegetação em crescimento, que cobre totalmente uma superfície horizontal no solo e é completamente exposta às condições meteorológicas, sem ocorrer restrições de água no solo. ● Evapotranspiração Real (ETR) é a máxima perda de água, na forma de vapor d’água para a atmosfera, que ocorre com uma vegetação em crescimento, que cobre totalmente um superfície horizontal no solo e é completamente exposta às condições meteorológicas, sob determinadas condições de restrição de água no solo. Balanço Hídrico Conceitos Básicos Cada balanço considera a capacidade da superfície vegetada de armazenamento de água (ARM), que depende das características desta superfície (50mm, 100mm, 125mm, 150mm e 300mm). Esta variável se altera dependendo da quantidade de água precipitada e da evapotranspiração ocorrida. O excedente hídrico (EXC) ocorrerá quando a precipitação for superior à quantidade de água necessária para atender a demanda da evapotranspiração potencial e do armazenamento de água no solo. O déficit hídrico (DEF) ocorrerá quando o valor da capacidade de armazenamento de água no solo não conseguir complementar a precipitação no atendimento da demanda da evapotranspiração potencial. Balanço Hídrico Conceitos Básicos Superfície: Capacidade de Campo/Armazenamento (mm) Precipitação (mm) Excedente = P ≥ ER Déficit = P < ER Evapotranspiração (mm) ETP ETR Balanço Hídrico Cálculo da Evapotranspiração Potencial Em 1962 Camargo propôs uma tabela de cálculo para a Evapotranspiração Potencial (ETP), conhecida como nomograma. Dada a temperatura média anual em uma reta, une este valor a um ponto no nomograma (ponto C) criando uma função que relaciona os valores de temperatura média e evapotranspiração potencial. Para cada dado mensal de temperatura estima-se o de evapotranspiração potencial. Após este cálculo utiliza-se uma tabela através da qual, para cada mês e latitude da localidade, define-se um fator p de correção da evapotranspiração potencial mensal, anteriormente calculada pelo nomograma. Balanço Hídrico Nomograma de Thornthwaite-Camargo Fonte: TUBELIS & NASCIMENTO (1984). Balanço Hídrico Ex. Belo Horizonte (19º56’S): Temp. Média Anual 21,1ºC e Temp. Média Dez. 22,2ºC Reta que une temperatura média anual ao ponto C Ponto C Reta que une temperatura média mensal à reta traçada Valor estimado para a Evapotranspiração Potencial Mensal Fonte: TUBELIS & NASCIMENTO (1984). Balanço Hídrico Fatores de ajustamento (p) mensal da ETP obtida pelo nomograma de Thornthwaite- Camargo em função da posição latitudinal. Fator pLatitude Fonte: TUBELIS & NASCIMENTO (1984). Balanço Hídrico Tabela 1: Evapotranspiração Potencial (ETP) calculada a partir do nomograma de Thornthwaite-Camargo ETN (mm) p ETP=p.ETN Jan 22,8 94,0 1,14 107 Fev 23,2 96,0 1,00 96 Mar 23,0 95,0 1,05 100 Abr 21,1 80,0 0,97 78 Mai 19,8 68,0 0,96 65 Jun 18,5 58,0 0,91 53 Jul 18,1 55,0 0,95 52 Ago 19,0 62,0 0,99 61 Set 21,0 80,0 1,00 80 Out 21,9 87,0 1,08 94 Nov 22,2 90,0 1,09 98 Dez 22,2 90,0 1,15 104 Ano 21,1 988 ETN = Evapotranspiração Potencial Mensal obtida no Nomograma p = fator de ajustamento da ETN de acordo com a latitude Evapotranspiração Potencial (ETP)Temperatura Média (ºC)Meses Belo Horizonte - MG / 1961 -1990 Balanço Hídrico Climograma de Belo Horizonte ( 1961 – 1990) Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Precip. 296,3 188,4 163,5 61,2 27,8 14,1 15,7 13,7 40,5 123,1 227,6 319,4 Temp. 22,8 23,2 23,0 21,1 19,8 18,5 18,1 19,0 21,0 21,9 22,2 22,2 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 21,0 22,0 23,0 24,0 (mm)(ºC) Belo Horizonte - MG (1961 - 1990) Balanço Hídrico Tabela 2: Exemplo de tabela para cálculo do Balanço hídrico. Todas as variáveis são expressas em mm P = Precipitação, ETP = Evapotranspiração Potencial, NEG Acum. = Negativo Acumulado, ARM = Armazenamento de água do solo, VAL = total de água armazenada no solo no final de cada mês, ALT = Armazenamento do mês em questão - o armazenamento do mês anterior, ETR = Evapotranspiração Real, DEF = Deficiência Hídrica, EXC = Excesso Hídrico e ESC = Escoamento, CA = Capacidade de armazenamento de água no solo. VAL ALT Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Ano ETR DEF EXC ESCMês P ETP P - ETP NEG. Acum ARM Cidade / Período dos Dados /Coordenadas Geográficas / Altitude / CA Balanço Hídrico Tabela 2: Exemplo de tabela para cálculo do Balanço hídrico. Todas as variáveis são expressas em mm P = Precipitação, ETP = Evapotranspiração Potencial, NEG Acum. = Negativo Acumulado, ARM = Armazenamento de água do solo, VAL = total de água armazenada no solo no final de cada mês, ALT = Armazenamento do mês em questão - o armazenamento do mês anterior, ETR = Evapotranspiração Real, DEF = Deficiência Hídrica, EXC = Excesso Hídrico e ESC = Escoamento, CA = Capacidade de armazenamento de água no solo. VAL ALT Jan 296 107 189 Fev 188 96 92 Mar 164 100 64 Abr 61 78 -16 Mai 28 65 -37 Jun 14 53 -39 Jul 16 52 -37 Ago 14 61 -48 Set 41 80 -40 Out 123 94 29 Nov 228 98 130 Dez 319 104 216 Ano 1491 988 504 Fonte: 5°DISME/INMET (1961 a 1990). ETR DEF EXC ESC Belo Horizonte - MG (1961 - 1990) / 19º 56' 02,1"S e 43º 57' 06,9"W - Alt. 915m / CA = 100mm Mês ETPP P - ETP NEG. Acum ARM Balanço Hídrico Tabela 2: Exemplo de tabela para cálculo do Balanço hídrico. Todas as variáveis são expressas em mm P = Precipitação, ETP = Evapotranspiração Potencial, NEG Acum. = Negativo Acumulado, ARM = Armazenamento de água do solo, VAL = total de água armazenada no solo no final de cada mês, ALT = Armazenamento do mês em questão - o armazenamento do mês anterior, ETR = Evapotranspiração Real, DEF = Deficiência Hídrica, EXC = Excesso Hídrico e ESC = Escoamento, CA = Capacidade de armazenamento de água no solo. VAL ALT Jan 296 107 189 0 100 0 107 0 189 Fev 188 96 92 0 100 0 96 0 92 Mar 164 100 64 0 100 0 100 0 64 Abr 61 78 -16 Mai 28 65 -37 Jun 14 53 -39 Jul 16 52 -37 Ago 14 61 -48 Set 41 80 -40 Out 12394 29 Nov 228 98 130 Dez 319 104 216 Ano 1491 988 504 Fonte: 5°DISME/INMET (1961 a 1990). ETR DEF EXC ESC Belo Horizonte - MG (1961 - 1990) / 19º 56' 02,1"S e 43º 57' 06,9"W - Alt. 915m / CA = 100mm Mês ETPP P - ETP NEG. Acum ARM ETR = ETP Balanço Hídrico Tabela 2: Exemplo de tabela para cálculo do Balanço hídrico. Todas as variáveis são expressas em mm P = Precipitação, ETP = Evapotranspiração Potencial, NEG Acum. = Negativo Acumulado, ARM = Armazenamento de água do solo, VAL = total de água armazenada no solo no final de cada mês, ALT = Armazenamento do mês em questão - o armazenamento do mês anterior, ETR = Evapotranspiração Real, DEF = Deficiência Hídrica, EXC = Excesso Hídrico e ESC = Escoamento, CA = Capacidade de armazenamento de água no solo. VAL ALT Jan 296 107 189 0 100 0 107 0 189 Fev 188 96 92 0 100 0 96 0 92 Mar 164 100 64 0 100 0 100 0 64 Abr 61 78 -16 -16 86 -14 75 Mai 28 65 -37 -54 58 -28 56 Jun 14 53 -39 -93 38 -20 34 Jul 16 52 -37 -129 27 -11 27 Ago 14 61 -48 -177 16 -11 25 Set 41 80 -40 -216 11 -5 46 Out 123 94 29 94 Nov 228 98 130 98 Dez 319 104 216 104 Ano 1491 988 504 860 Fonte: 5°DISME/INMET (1961 a 1990). Olhar o valor do NEG. AC na tabela 107.2 para obter o valor do armazenamento residual de água no solo (mm) ETR DEF EXC ESC Belo Horizonte - MG (1961 - 1990) / 19º 56' 02,1"S e 43º 57' 06,9"W - Alt. 915m / CA = 100mm Mês ETPP P - ETP NEG. Acum ARM ETR = P - ALT ETR = ETP Balanço Hídrico Tabela 2: Exemplo de tabela para cálculo do Balanço hídrico. Todas as variáveis são expressas em mm P = Precipitação, ETP = Evapotranspiração Potencial, NEG Acum. = Negativo Acumulado, ARM = Armazenamento de água do solo, VAL = total de água armazenada no solo no final de cada mês, ALT = Armazenamento do mês em questão - o armazenamento do mês anterior, ETR = Evapotranspiração Real, DEF = Deficiência Hídrica, EXC = Excesso Hídrico e ESC = Escoamento, CA = Capacidade de armazenamento de água no solo. VAL ALT Jan 296 107 189 0 100 0 107 0 189 Fev 188 96 92 0 100 0 96 0 92 Mar 164 100 64 0 100 0 100 0 64 Abr 61 78 -16 -16 86 -14 75 Mai 28 65 -37 -54 58 -28 56 Jun 14 53 -39 -93 38 -20 34 Jul 16 52 -37 -129 27 -11 27 Ago 14 61 -48 -177 16 -11 25 Set 41 80 -40 -216 11 -5 46 Out 123 94 29 89 40 29 94 Nov 228 98 130 0 100 60 98 Dez 319 104 216 0 100 0 104 Ano 1491 988 504 0 860 Fonte: 5°DISME/INMET (1961 a 1990). 40 ARM de Out = 29 de P - ETP de Out + 11 de VAL de Set Olhar na tabela 107.2 o valor do armazenamento residual de água no solo (mm) para obter o NEG. AC. A coluna de alteração tem somar zero ETR DEF EXC ESC Belo Horizonte - MG (1961 - 1990) / 19º 56' 02,1"S e 43º 57' 06,9"W - Alt. 915m / CA = 100mm Mês ETPP P - ETP NEG. Acum ARM - Balanço Hídrico Tabela 2: Exemplo de tabela para cálculo do Balanço hídrico. Todas as variáveis são expressas em mm P = Precipitação, ETP = Evapotranspiração Potencial, NEG Acum. = Negativo Acumulado, ARM = Armazenamento de água do solo, VAL = total de água armazenada no solo no final de cada mês, ALT = Armazenamento do mês em questão - o armazenamento do mês anterior, ETR = Evapotranspiração Real, DEF = Deficiência Hídrica, EXC = Excesso Hídrico e ESC = Escoamento, CA = Capacidade de armazenamento de água no solo. VAL ALT Jan 296 107 189 0 100 0 107 0 Fev 188 96 92 0 100 0 96 0 Mar 164 100 64 0 100 0 100 0 Abr 61 78 -16 -16 86 -14 75 2 Mai 28 65 -37 -54 58 -28 56 9 Jun 14 53 -39 -93 38 -20 34 19 Jul 16 52 -37 -129 27 -11 27 26 Ago 14 61 -48 -177 16 -11 25 37 Set 41 80 -40 -216 11 -5 46 35 Out 123 94 29 89 40 29 94 0 Nov 228 98 130 0 100 60 98 0 Dez 319 104 216 0 100 0 104 0 Ano 1491 988 504 0 860 127 Fonte: 5°DISME/INMET (1961 a 1990). ETR DEF EXC ESC Belo Horizonte - MG (1961 - 1990) / 19º 56' 02,1"S e 43º 57' 06,9"W - Alt. 915m / CA = 100mm Mês ETPP P - ETP NEG. Acum ARM DEF = ETP - ETR - Balanço Hídrico Tabela 2: Exemplo de tabela para cálculo do Balanço hídrico. Todas as variáveis são expressas em mm P = Precipitação, ETP = Evapotranspiração Potencial, NEG Acum. = Negativo Acumulado, ARM = Armazenamento de água do solo, VAL = total de água armazenada no solo no final de cada mês, ALT = Armazenamento do mês em questão - o armazenamento do mês anterior, ETR = Evapotranspiração Real, DEF = Deficiência Hídrica, EXC = Excesso Hídrico e ESC = Escoamento, CA = Capacidade de armazenamento de água no solo. VAL ALT Jan 296 107 189 0 100 0 107 0 189 Fev 188 96 92 0 100 0 96 0 92 Mar 164 100 64 0 100 0 100 0 64 Abr 61 78 -16 -16 86 -14 75 2 0 Mai 28 65 -37 -54 58 -28 56 9 0 Jun 14 53 -39 -93 38 -20 34 19 0 Jul 16 52 -37 -129 27 -11 27 26 0 Ago 14 61 -48 -177 16 -11 25 37 0 Set 41 80 -40 -216 11 -5 46 35 0 Out 123 94 29 89 40 29 94 0 0 Nov 228 98 130 0 100 60 98 0 70 Dez 319 104 216 0 100 0 104 0 216 Ano 1491 988 504 0 860 127 631 Fonte: 5°DISME/INMET (1961 a 1990). ETR DEF EXC ESC Belo Horizonte - MG (1961 - 1990) / 19º 56' 02,1"S e 43º 57' 06,9"W - Alt. 915m / CA = 100mm Mês ETPP P - ETP NEG. Acum ARM EXC = (P – ETP) - ALT EXC = (P – ETP) - ALT - Balanço Hídrico Tabela 2: Exemplo de tabela para cálculo do Balanço hídrico. Todas as variáveis são expressas em mm Inicia-se o cálculo do escoamento (ESC) pelo primeiro mês após o menor valor de excedente. Como neste exemplo (Belo Horizonte) não se conhece o ESC do mês de novembro, admite-se um valor provisório igual a zero. ESC (NOV) = 0,5 x (EXC (NOV) + 0) ESC (JAN) = 0,5 x (EXC (JAN) + ESC (DEZ)) ESC (DEZ) = 0,5 x (EXC (DEZ) + ESC (NOV)) ESC (FEV) = 0,5 x (EXC (FEV) + ESC (JAN)) VAL ALT Jan 296 107 189 0 100 0 107 0 189 157 Fev 188 96 92 0 100 0 96 0 92 125 Mar 164 100 64 0 100 0 100 0 64 94 Abr 61 78 -16 -16 86 -14 75 2 0 47 Mai 28 65 -37 -54 58 -28 56 9 0 24 Jun 14 53 -39 -93 38 -20 34 19 0 12 Jul 16 52 -37 -129 27 -11 27 26 0 6 Ago 14 61 -48 -177 16 -11 25 37 0 3 Set 41 80 -40 -216 11 -5 46 35 0 1 Out 123 94 29 -89 40 29 94 0 0 1 Nov 228 98 130 0 100 60 98 0 70 35 Dez 319 104 216 0 100 0 104 0 216 126 Ano 1491 988 504 0 860 127 631 631 Fonte: 5°DISME/INMET (1961 a 1990). ETR DEF EXC ESC Belo Horizonte - MG (1961 - 1990) / 19º 56' 02,1"S e 43º 57' 06,9"W - Alt. 915m / CA = 100mm Mês ETPP P - ETP NEG. Acum ARM Balanço Hídrico Para ter certeza que o balanço hídrico foi calculado corretamente é necessário efetuar as seguintes aferições: � P = ∑ETP + ∑( P – ETP) � P = ∑ ETR + ∑ EXC � ALT = ∑ é igual a zero � ETP = ∑ ETR + ∑ DEF � ∑ EXC = ∑ ESC Onde, P = Precipitação, ETP = Evapotranspiração Potencial, ETR = Evapotranspiração Real, ALT (Alteração) = armazenamento do mês em questão - o armazenamento do mês anterior, EXC = Excedente Hídrico, DEF = Deficiência Hídrica e ∑ = somatório Balanço Hídrico Tabela 3: Exemplo de tabela para cálculo do Balanço hídrico. Todas as variáveis são expressas em mm EXC = Excedente Hídrico RET = Retirada de água REP = Reposição de água DEF = Deficiência Hídrica 189 0 0 0 92 0 0 0 64 0 0 0 0 -14 0 -2 0 -28 0 -9 0 -20 0 -19 0 -11 0 -26 0 -11 0 -37 0 -5 0 -35 0 0 29 0 70 0 60 0 216 0 0 0 631 -89 89 108 REP DEFEXC RET Balanço Hídrico Precipitação (P), Evapotranspiração Potencial (ETP) e Evapotranspiração Real (ETR) mensal de Belo Horizonte entre 1961 e 1990 0 40 80 120 160 200 240 280 320 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez (mm) ETP P ETR Balanço Hídrico -50 0 50 100 150 200 250 300 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez (mm) DEF EXC Deficiência (DEF) e Excedente (EXC) Hídrica mensal de Belo Horizonte entre 1961 e 1990 Balanço Hídrico Balanço Hídrico mensal de Belo Horizonte entre 1961 e 1990 -50 0 50 100 150 200 250 Jan Fev Mar AbrMai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez (mm) Excedente, Deficiência, Retirada e Reposição Retirada Deficiência Reposição Excedente Balanço Hídrico 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T e m p e r a t u r a ( C ) P r e c i p i t a ç ã o ( c m ) meses Climograma de Fortaleza - CE - 3S/38W Balanço Hídrico Normal Mensal 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Precipitação ETP ETR Deficiência, Excedente, Retirada e Reposição Hídrica ao longo do ano -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Deficiência Excedente Retirada Reposição Fonte: SENTELHAS et. al. (1999). Fonte: INMET (1992). Balanço Hídrico Fonte: INMET (1992). 26 26 27 27 28 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T e m p e r a t u r a ( C ) P r e c i p i t a ç ã o ( c m ) meses Climograma de São Luiz - MA - 2S/44W Balanço Hídrico Normal Mensal 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Precipitação ETP ETR Deficiência, Excedente, Retirada e Reposição Hídrica ao longo do ano -200 -100 0 100 200 300 400 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Deficiência Excedente Retirada Reposição Fonte: SENTELHAS et. al. (1999). Balanço Hídrico Fonte: INMET (1992). 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T e m p e r a t u r a ( C ) P r e c i p i t a ç ã o ( c m ) meses Climograma de Cabrobó - PE - 8S/39W Balanço Hídrico Normal Mensal 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Precipitação ETP ETR Deficiência, Excedente, Retirada e Reposição Hídrica ao longo do ano -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Deficiência Excedente Retirada Reposição Fonte: SENTELHAS et. al. (1999). Balanço Hídrico Fonte: INMET (1992). 23 24 24 25 25 26 26 27 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T e m p e r a t u r a ( C ) P r e c i p i t a ç ã o ( c m ) meses Climograma de Maceió- AL - 9S/36W Balanço Hídrico Normal Mensal 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Precipitação ETP ETR Deficiência, Excedente, Retirada e Reposição Hídrica ao longo do ano -100 -50 0 50 100 150 200 250 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Deficiência Excedente Retirada Reposição Fonte: SENTELHAS et. al. (1999). Balanço Hídrico Fonte: INMET (1992). 25 25 26 26 27 27 28 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T e m p e r a t u r a ( C ) P r e c i p i t a ç ã o ( c m ) meses Climograma de Belém - PA - 1S/48W Balanço Hídrico Normal Mensal 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Precipitação ETP ETR Deficiência, Excedente, Retirada e Reposição Hídrica ao longo do ano -50 0 50 100 150 200 250 300 350 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez m m Deficiência Excedente Retirada Reposição Fonte: SENTELHAS et. al. (1999). Bibliografia AYOADE, J. O. Introdução a climatologia para os trópicos. 8. ed. Rio de Janeiro: Bertrand Brasil, 2002. 332p. INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGIA - INMET: Normais Climatológicas - Brasil - de 1961 a 1990. Ministério da Agricultura e Reforma Agrária - Departamento Nacional de Meteorologia. Brasília: [s/n],1992. 84p. NIMER, E. Climatologia do Brasil. Rio de Janeiro: IBGE, 1979. 421p. SENTELHAS, P. 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