Aspectos hidrológicos- EvaporacaoeEvapotranspiracao (1)

Prévia do material em texto

Universidade Federal de Goiás 
Drenagem Urbana
Aspectos Hidrológicos: Evaporação e 
Evapotranspiração
Disciplina: Drenagem Urbana
Professora: Layara de Paula Sousa 
Santos 
layara0912@hotmail.com
• Conceito Geral
• Fatores que afetam a evapotranspiração
• Medição da evaporação
• Evaporação em lagos e reservatórios
• Estimativa da evapotranspiração
– Medição
– Cálculo
Evapotranspiração
Evaporação (E) – Processo pelo qual se transfere água 
do solo e das massas líquidas para a atmosfera. No 
caso da água no planeta Terra ela ocorre nos oceanos, 
lagos, rios e solo.
Transpiração (T) – Processo de evaporação que 
ocorre através da superfície das plantas. A taxa de 
transpiração é função dos estômatos, da profundidade 
radicular e do tipo de vegetação.
Conceito Geral - Evapotranspiração
Ocorre quando o estado da água é transformado de 
líquido para gasoso devido à energia solar
Móleculas da água líquida rompem a barreira da 
superfície (liberando energia)
É necessário que o ar não esteja saturado
Evaporação
Definições
Definições
quantidade de energia que uma molécula de 
água líquida precisa para romper a superfície 
e evaporar
calor latente de 
evaporação
Transpiração  desde as raízes até as folhas, 
pelo sistema condutor, pelo estabelecimento de 
um gradiente de potencial desde o solo até o ar
Transpiração no Sistema Solo Planta 
Atmosfera
Local de maior resistência 
ao fluxo
O gradiente de tensão de vapor 
de água também favorece o fluxo
Quanto mais seco estiver o ar 
(menor Umidade Relativa), maior 
será esse gradiente
proporcional à resistência ao fluxo da água na planta
Evapotranspiração (ET)  Processo simultâneo de 
transferência de água para a atmosfera através da 
evaporação (E) e da transpiração (T).
TEET 
Potencial 
(ETP)
Real (ETR)
Transpiração no Sistema Solo Planta 
Atmosfera
Definições
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)
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)
• Umidade do ar
• Temperatura do ar
• Velocidade do vento
• Radiação solar
• Tipo de solo
• Vegetação (transpiração)
Fatores que afetam
• Quanto maior a temperatura, 
maior a pressão de saturação do 
vapor de água no ar, isto é, 
maior a capacidade do ar de 
receber vapor.
• Para cada 10oC, P0 é duplicada
Temperatura (oC) 0 10 20 30
P0 (atm) 0,0062 0,0125 0,0238 0,0431
Temperatura
Temperatura
Umidade relativa  medida do conteúdo de vapor de 
água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar 
teria se estivesse saturado
sw
w
100UR 
onde UR é a umidade relativa; w é a massa de vapor 
pela massa de ar e ws é a massa de vapor por massa de 
ar no ponto de saturação.
% em
Umidade do Ar
Ar com umidade relativa de 100% está saturado de 
vapor, e ar com umidade relativa de 0% está 
completamente isento de vapor
Também pode ser expressa em termos de pressão
parcial de vapor.
Lei de Dalton  cada gás que compõe um a mistura
exerce uma pressão parcial, independente da pressão
dos outros gases, igual à pressão que se fosse o único
gás a ocupar o volume
No ponto de saturação a pressão parcial do vapor
corresponde à pressão de saturação do vapor no ar, e a
equação anterior pode ser reescrita como:
Umidade do Ar
onde UR é a umidade relativa; e é a pressão parcial de
vapor no ar e es é pressão de saturação.
se
e
100UR  % em
• O vento renova o ar em contato com a superfície que
está evaporando (superfície da água; superfície do
solo; superfície da folha da planta).
• 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
Vento
Vento  remove ar úmido da superfície onde ocorre ET
 menos umidade  mais ET
A quantidade de energia solar que atinge a Terra no 
topo da atmosfera está na faixa das ondas curtas. Na 
atmosfera e na superfície terrestre a radiação solar é 
refletida e sofre transformações:
Radiação Solar
• parte da energia incidente é refletida pelo ar e pelas
nuvens (26%)
• parte é absorvida pela poeira, pelo ar e pelas nuvens 
(19%)
• parte da energia que chega a superfícies é refletida 
de volta para o espaço ainda sob a forma de ondas 
curtas (4% do total de energia incidente no topo da 
atmosfera)
Radiação Solar
A energia absorvida pela terra e pelos oceanos 
aquecimento destas superfícies  depois emitem 
radiação de ondas longas
Além disso, o aquecimento das superfícies 
aquecimento do ar que está em contato  fluxo de 
calor sensível (ar quente), e o fluxo de calor latente 
(evaporação)
Finalmente, a energia absorvida pelo ar, pelas nuvens
e a energia dos fluxos de calor latente e sensível
retorna ao espaço na forma de radiação de onda
longa, fechando o balanço de energia
Radiação Solar
• Solos arenosos úmidos tem evaporação maior do que
solos argilosos úmidos
Solo e vegetação
A vegetação:
• Controla a transpiração
• Pode agir fechando os estômatos
• Busca a umidade de camadas profundas do solo
Solo e vegetação
Umidade do solo  uma das variáveis mais importantes 
na transpiração
Solo úmido  plantas transpiram livremente  taxa de 
transpiração controlada pelas variáveis atmosféricas
Solo começa a secar  fluxo de transpiração começa a 
diminuir
Condições ideais de umidade do solo  ETP
Condições reais de umidade do solo  ETR
Determinação da evaporação e da ET
Relação entre a evaporação e a pressão de vapor,
com a introdução do efeito do vento
Leva em conta a radiação solar: efetiva de ondas
curtas, efetiva de ondas longas, a energia de
evaporação, calor sensível por condução,
características aerodinâmicas  método de
Penman
Ajuste por regressão das variáveis envolvidas
Medida direta  tanque classe A, ...
Baseia-se na equação da continuidade do lago ou
reservatório
Evaporação
Lisímetros e umidade do solo
ETP  Método de thornthwaite, método de 
Blaney-Criddle. Para determinar ET 
ET = ETP .kc, onde kc  coeficiente de cultura 
(determinado em lisímetros)
Baseados na variável meteorológica radiação.
Equação de Jesen e Haise, ...
Chamada de equação de Penman  adaptar o
cálculo da evaporação de superfícies livres para
a superfície de interesse  ETP
Para intervalos de tempo superiores a 1 semana
Evapotranspiração
• Tanque classe A
• Evaporímetro de Piché
Evaporímetros medição direta
• O mais usado  forma circular com um diâmetro de 121
cm e profundidade de 25,5 cm
• Construído em aço ou ferro galvanizado
• Pintado na cor alumínio
• Instalado numa plataforma de madeira a 15 cm da 
superfície do solo
• permanecer com água variando entre 5,0 e 7,5 cm da 
borda superior.
Tanque classe A
Tanque classe A
Tanque "Classe A" 
– US Weather 
Bureau
• O fator que relaciona a evaporação de um reservatório 
e do tanque classe A oscila entre 0,6 e 0,8, sendo 0,7 o 
valor mais utilizado
Tanque classe A
Fonte : Sabesp
Tanque classe A
Tanque classe A
Tanque classe A
• manutenção da água entre as profundidades
recomendadas  evita erros de até 15%
• a água deve ser renovada  turbidez  evita erros de
até 5%
• as paredes sofrem com a influência da radiação e da
transferência de calor sensível  superestimação da
evaporação
• próximos a cultivos de elevada estatura 
subestimação da evaporação
Constituído por um tubo cilíndrico, de vidro, 
de aproximadamente 30 cm de 
comprimento e um centímetro de diâmetro, 
fechado na parte superior e aberto na 
inferior
A extremidade inferior tapada, depois do 
tubo estar cheio com água destilada, comum disco de papel de feltro, de 3 cm de 
diâmetro, que deve ser previamente 
molhado com água
Este disco é fixo depois com uma mola. A 
seguir, o tubo é preso por intermédio de 
uma argola a um gancho situado no interior 
do abrigo
Evaporímetro de Piché
Evaporímetro de Piché
• Piché é pouco confiável
Evaporímetro de Piché
• Medição (mais complicada)
• Cálculo
Estimativa da evapotranspiração
• Lisímetro
– Depósitos enterrados, abertos na parte superior, 
preenchidos com solo e vegetação característica
– Controle das variáveis:
• Peso
• Medir chuva
• Coletar água percolada
• Coletar água escoada
• Superfície homogênea
Lisímetros medição direta
Lisímetros medição direta
Precipitação no solo  drenagem para o fundo do aparelho  água 
é coletada e medida
O depósito é pesado diariamente, assim como a chuva e os 
volumes escoados de forma superficial e que saem por orifícios no 
fundo 
ET calculada por balanço hídrico entre 2 dias subseqüentes
ET = P - Qs – Qb – ΔV
E  evapotranspiração
P  chuva (medida num pluviômetro)
Qs  escoamento superficial (medido)
Qb  é o escoamento subterrâneo (medido no fundo do tanque)
ΔV  variação de volume de água (medida pelo peso)
Lisímetros medição direta
Lisímetros medição direta
Lisímetros medição direta
Lisímetros medição direta
http://jararaca.ufsm.br/websites/matasul-
ufsm/1ca53f95af2a6c15feea202899377cc9.htm
http://jararaca.ufsm.br/websites/matasul-ufsm/1ca53f95af2a6c15feea202899377cc9.htm
Cálculo da ETP  baseado na temperatura
Thornthwaite: empírica, caracterizada por um único fator,
a temperatura média. Foi desenvolvida para climas
temperados (inverno úmido e verão seco).
E = c Ta
t = temperatura de cada mês ºC
T = temperatura média ºC
Blaney-Criddle: também utiliza a temperatura média e
horas do dia com insolação, para regiões semi-áridas
ETP=(0,457 T + 8,13) p
ET = ETP . Kc
p = % luz diária
kc = é o coeficiente de cultura.
Cálculo da ETP  baseado na temperatura
a
I
T10
16ET 




 










12
1j
1,514
j
5
T
I
Para estimar evapotranspiração potencial mensal
T = temperatura média do mês (oC)
a = parâmetro que depende da região
I = índice de temperatura
0,49239I101,792I107,71I106,75a 22537  
Thornthwaite
j  cada um dos 12 meses do ano
Tj  temperatura média de cada um dos 12 meses
Exemplo
Mês Temperatura
Janeiro 24,6
Fevereiro 24,8
Março 23,0
Abril 20,0
Maio 16,8
Junho 14,4
Julho 14,6
Agosto 15,3
Setembro 16,5
Outubro 17,5
Novembro 21,4
Dezembro 25,5
Calcule a evapotranspiração 
potencial mensal para o mês 
de Agosto de 2006 em Porto 
Alegre onde as temperaturas 
médias mensais são dadas na 
figura abaixo.
Suponha que a temperatura 
média de agosto de 2006 
tenha sido de 15,3°C
Exemplo
O primeiro é o cálculo do coeficiente I a partir das 
temperaturas médias obtidas da tabela. O valor de I é 
96. A partir de I é possível obter a= 2,1. Com estes 
coeficientes, a evapotranspiração potencial é:
mm/mês 53,1
96
16,510
16E
2,1





 

Portanto, a evapotranspiração potencial estimada para
o mês de agosto de 2006 é de 53,1 mm/mês.
ETR
ETP
Umidade do solo Smx
ETR = evapotranspiração depende da umidade do solo
Relações
Relações
Períodos de estiagem mais longos  ET retira umidade 
do solo  ET diminui
A redução da ET não ocorre imediatamente
Para valores de umidade do solo entre a capacidade
de campo e um limite  ET não é afetada pela
umidade do solo
A partir deste limite  ET diminuída  mínimo
(normalmente zero)  no ponto de murcha permanente
Neste ponto  rS atinge valores altíssimos
• Evapotranspiração potencial : é a evaporação do
solo e a transpiração das plantas máxima que pode
ser transferida para atmosfera. Com base nas
condições climáticas e características das plantas é
possível estimar a ETP
• Evapotranspiração real: é a o total transferido para
a atmosfera de acordo com a disponibilidade hídrica
existente (umidade do solo) e a resistência das
plantas.
Evapotranspiração
• Método de estimativa simples com base nos dados
precipitação e vazão de uma bacia.
• A equação da continuidade
S(t+1)=S(t) + (P –E - Q)dt
• Desprezando a diferença entre S(t+1) – S(t)
Q= P- E
• Simplificação aceita para dt longos como o um ano
ou seqüência de anos
Balanço hídrico
• Exemplo: 
Uma bacia (Rio Passo Fundo) com Precipitação média
1.941 mm e Vazão de 803 mm (valores médios de 10
anos). 
A evaporação real é E= 1941 – 803 = 1137 mm
O coeficiente de escoamento é a relação entre Q/P
C = 803/1941 = 0,41 
ou 41% da precipitação gera escoamento. 
Balanço hídrico
mm/ano m3/s
A = Área da bacia
Q = vazão
1000
365 . 24 . 3600
)2km(A)ano/mm(Q
)s/3m(Q 


Conversão de unidades
Reservatórios são criados para regularizar a 
vazão dos rios, aumentando a disponibilidade 
de água e de energia nos períodos de escassez
A criação de um reservatório, entretanto, cria 
uma vasta superfície líquida que disponibiliza 
água para evaporação, o que pode ser 
considerado uma perda de água e de energia 
Evaporação em reservatórios
A evaporação da água em reservatórios 
estimada a partir de medições de Tanques de 
Classe A
Entretanto é necessário aplicar um coeficiente 
de redução em relação às medições de tanque 
 a água do reservatório normalmente está 
mais fria do que a água do tanque, que tem 
um volume pequeno e está completamente 
exposta à radiação solar
Evaporação em reservatórios
Assim, para estimar a evaporação em 
reservatórios e lagos costuma-se considerar 
que esta tem um valor de aproximadamente 60 
a 80% da evaporação medida em Tanque Classe 
A na mesma região, isto é:
Onde Ft tem valores entre 0,6 e 0,8.
ttanquelago FEE 
Evaporação em reservatórios
Evaporação em lagos
e reservatórios
Reservatório de Sobradinho
constituindo-se no maior 
lago artificial do mundo, 
está numa das regiões 
mais secas do Brasil
área superficial de 
4.214 km2
Evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m3.s-1 
10% da vazão regularizada do rio São Francisco  Esta perda é
superior à vazão prevista para o projeto de transpiração do rio
São Francisco
• Um rio cuja vazão média é de 34 m3/s foi represado
por uma barragem para geração de energia elétrica. A
área superficial do lago criado é de 5.000 hectares.
Medições de evaporação de um tanque classe A
correspondem a 1.500 mm por ano.
Qual é a nova vazão média a jusante da barragem após
a formação do lago?
Exercício
1000
365 . 24 . 3600
)km(A)ano/mm(E
)s/m(E
2
3 


E = 1.500 x 0,7 mm/ano
E = 1,66 m3/s
Q = 34 – 1,66 = 32,34 m3/s
Redução de 4,9 % da vazão
Solução
• Deseja-se construir um reservatório em um rio, cuja
bacia possui uma área de 50 km2. A área de inundação
do reservatório é de 10 km2. Estime qual deve ser a
redução de vazão média disponível na bacia.
Considere que a evaporação potencial da superfície da
água é de 1.400 mm por ano. A evaporação estimada
por balanço hídrico antes da construção do
reservatório foi de 1.137 mm por ano. Nestas mesmas
condições, a vazão média era de 1,41 m3/s e a
precipitação de 1.941 mm por ano.
Exercício
• ET após a construção
ET = (0,7.1.400.10 + 1.137.40)/50 = 1.105,6 mm/ano
• Q após a construção
Q = 1.941 - 1.105,6 = 835,4 mm/ano
• Redução de Q
Qantes = 1,41 m
3/s
Qdepois = 835,4 mm/ano = 1,325 m
3/s
Redução de 6,45%
Exercício