7- Evapotranspiração

Importância

 Perdas de água em reservatórios;

 Cálculo das necessidades de irrigação;

 Balanço hídrico em bacias (modelos chuva-vazão);

 Conhecimento dos diversos processos dos

Definição de Evaporação

 A evaporação é um processo físico de mudança de fase,

passando do estado líquido para o estado gasoso. A

evaporação de água na atmosfera ocorre de oceanos,

lagos, rios, do solo e da vegetação úmida (evaporação

do orvalho ou da água interceptada das chuvas).

 Calor latente de vaporização



2,45 MJ/kg (a 20

_C)

mm/mêsm m/dia

Umidade do ar

Temperatura do ar

Velocidade do vento

Radiação solar

Tipo de solo

Vegetação (transpiração)

Fatores que influenciam no processo

de evapotranspiração

 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 10

_{C, P}

é

duplicada.

Temp.

_C

₀

₁₀

₂₀

₃₀

P

(atm)

0,0062

0,0125

0,0238

0,0431

Temperatura

A umidade relativa é a medida do conteúdo de vapor de água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar teria se estivesse saturado. Assim, ar com umidade relativa de 100% está saturado de vapor, e ar com umidade relativa de 0% está completamente isento de vapor.

FÍSICA DA EVAPORAÇÃO

w

w

.

100

UR



onde UR é a umidade relativa; w é a massa de vapor pela massa de ar e w_s é a massa de vapor por massa de ar no ponto de saturação.

%

em

A umidade relativa também pode ser expressa em termos de pressão parcial de vapor. De acordo com a 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:

FÍSICA DA EVAPORAÇÃO

e

e

.

100

UR



onde UR é a umidade relativa; e é a pressão parcial de vapor no ar e e_s é pressão de saturação.

%

em

 E = C (e

– e)

 E = evaporação (mm/hora; mm/dia)

 e

= pressão de saturação do vapor de água no ar

atmosférico

 e = pressão do vapor presente na atmosfera

 C = constante

 Ar mais seco – mais evaporação

 Ar mais úmido – menos evaporação

• Ponto de orvalho (T

) – é a temperatura à qual uma parcela de

ar com uma determinada pressão de vapor deve ser resfriada

para atingir a saturação:

T

em ⁰C e e em kPa

)

ln(

.

00421

,

0

0708

,

0

4926

,

0

)

ln(

e

e

T







FÍSICA DA EVAPORAÇÃO

• Camada de ar com

temperatura T_a, acima de uma superfície horizontal de água com temperatura

T_s.

• As moléculas de água da superfície líquida são atraídas pelas moléculas de ar próximas à superfície pela ação das pontes de H, mas algumas têm suficiente energia para escapar e ingressar no ar.

• Da mesma maneira as moléculas de vapor próximas à superfície líquida, que se movimentam aleatoriamente, eventualmente voltam a entrar no líquido. • No equilíbrio, as taxas de saída e reentrada de moléculas de água são iguais.

Nessa condição, a pressão de vapor na camada acima da superfície é igual à pressão de vapor de saturação à temperatura da superfície da água T_s

Conceitos básicos

O que acontece se introduzimos energia na forma de calor no

sistema água-atmosfera?

Energia: calor do sol

Evaporação

Evaporação processo de resfriamento

associado à transferência de calor da superfície evaporativa para o ar circundante.

Conceitos básicos

Física da evaporação

Maior temperatura na água leva a maior movimento das molecular (energia cinética), maior temperatura no ar significa maior capacidade de conter vapor d’água

Menor temperatura na água leva a menor movimento

molecular, menor temperatura no ar significa menor capacidade

em conter vapor d’água

Energia

Condensação

E se retiramos energia no sistema água-atmosfera?

Condensação processo de aquecimento

Conceitos básicos

Definição de Transpiração

• A transpiração é um processo biofísico pelo qual a

água que passou pela planta, fazendo parte de seu

metabolismo, é transferida para a atmosfera.

mm/h mm/mês

Transpiração

• O processo envolve a absorção de água no solo pelo sistema

radicular e o transporte através do sistema vascular até as paredes das cavidades dos estômatos.

• O vapor de água nessas cavidades se desloca para o ar através da abertura dos estômatos, o qual é controlado pelas células guardas.

Transpiração

• O processo de transpiração utiliza cerca do 90% da água

que entra pelas raízes, e o restante é usado nas reações

químicas e nos tecidos da planta.

• Os fatores mais importantes que influenciam na

apertura dos estômatos são: luz, umidade, temperatura

e conteúdo de água nas células

• Os estômatos são os elementos mais importantes no

controle da transpiração: representam 1% da superfície

da folha para 90% da água transpirada.

• A transpiração pode ser tratada como um fenômeno

físico , de maneira análoga à evaporação de superfícies

livres, e por isso pode ser representado pelas equações

de transporte de massa.

• 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 EVT potencial;

• 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.

Qual é a diferença?

• Evapotranspiração Potencial (ETP) ou de referência

(Eto)?

• Evapotranspiração Real (ETr)?

Evapotranspiração Potencial (ETP) ou

de referência (Eto)?

Com ou sem restrição hídrica

Clima

_{Cultura de}

referência

Evapotranspiração Real (ETr)

Com ou sem restrição hídrica

ETr

Clima

_{Cultura de}

referência

Evapotranspiração de Cultura (Etc)

Cultura sem restrição hídrica e em condições ótimas de desenvolvimento

Coeficiente de Cultura (Kc)

Coeficiente de cultura ‘Kc’

Kc médio

Kc final

Estabele-cimento

Desenvolvimento Vegetativo Florescimento e Frutificação Maturação

Fatores Determinantes da

Evapotranspiração

ETr

Fatores do Clima: saldo de radiação, temperatura do ar, umidade relativa do ar e velocidade do vento

Fatores de Manejo e do Solo: espaçamento/densidade de plantio, orientação de plantio, uso de cobertura morta (plantio direto), capacidade de armazenamento do solo, impedimentos físicos/químicos, uso de quebra-ventos, etc...

Fatores da Cultura: altura, área foliar, tipo de cultura, albedo, profundidade do sistema radicular.

• Solos arenosos úmidos tem evaporação maior

do que solos argilosos úmidos.

• Controla a transpiração

• Pode agir fechando os estômatos

• Busca a umidade de camadas profundas do

solo

• Tanque classe A;

• Evaporímetro de Piché;

• Estações meteorológicas.

Tanques de evaporação (Classse A):

É um tanque cilíndrico com água, exposto à atmosfera, que calcula a evaporação usando.

Sendo V₁ e V₂ os volumes no início e final do período t. Em média, a razão entre a evaporação do lago e do tanque é de 0,7. Isto porque a água no tanque tem temperatura maior. Alguns tanques têm termômetro e anemômetros para correções adicionais.

O problema do método é que a rede de observações meteorológicas está se tornando automática e o método de Penman dá resultados até melhores do que o tanque.

]

[

V

V

P

E







Estimativa da Evaporação de

superfícies livres

A equação do tanque é:

k_PAN = 0,7. De fato, o coeficiente varia no tempo e de local para local.



E



k

E

1.21 m

255 mm 150 mm

Tanque de evaporação Classe A

Estimativa da Evaporação de

superfícies livres

Medindo a evaporação

O evaporímetro de Piché é 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 é tapada, depois do tubo estar cheio com água destilada, com um 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.

Anemômetro sônico tridimensional

Sensor de CO2/H2O “closed path” - IRGA

Sensor PAR

Estimativa da Evaporação de

superfícies livres

Medição de fluxos por covariância de vórtices turbulentos

• Medição

• Cálculo

Lisímetro

• Peso

• Medir chuva

• Coletar água percolada

• Coletar água escoada

• Superfície homogênea

Medidas diretas:

Lisímetro: depósito enterrado (entre 1 e 150 m3 _{), aberto na parte superior,} contendo o terreno que se quer estudar. O solo recebe a precipitação, e é drenado para o fundo do aparelho onde a água é coletada e medida através de pesagem.

ET = P - D - R

Medições de evapotranspiração

Medidas de umidade do solo: medir

sucessivamente a umidade e estabelecer por  o valor da evapotranspiração.

Medições com lisímetros:

•O solo e a vegetação são o mais próximo possível à vegetação do

entorno.

•A limitação é que o perfil de umidade do solo pode ser diferente

do solo do entorno, o que pode levar a taxas de

evapotranspiração diferente. Além disso, este método não

funciona em florestas.

Há vários modelos de lisímetros e inclusive destinados a medir a

evaporação de solo sem cobertura vegetal.

• Balanço Hídrico

• Equações de evapotranspiração

P = Q + E

Atenção: Não estamos considerando o armazenamento!!!!

Exemplo:

Uma bacia recebe anualmente 1600 mm de

chuva, e a vazão média corresponde a 700 mm. A

evaporação pode ser calculada por balanço hídrico:

E = P - Q

E = 1600 - 700 = 900 mm/ano

Cálculo da evapotranspiração

por balanço hídrico

• 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.

• Usando apenas a temperatura

• Usando a temperatura e a umidade do ar

• Usando a temperatura e a radiação solar

• Equações

de

Penmann

(insolação,

temperatura, umidade relativa, velocidade do

vento)

Equações de Cálculo da

evapotranspiração

Cálculo da Evapotranspiração (mm)

Métodos baseados 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 ; p % luz diária

ET = ETP . Kc

Kc = é o coeficiente de cultura.

a

I

T

10

16

ET





_

 

_



















5

T

I

49239

.

0

I

10

792

.

1

I

10

71

.

7

I

10

75

.

6

a





















Para estimar evapotranspiração potencial mensal

T = temperatura média do mês (

_C)

a = parâmetro que depende da região

I = índice de temperatura

Método de Blaney-Criddle

Foi desenvolvido originalmente para estimativas de

uso consutivo em regiões semi-áridas, e utiliza a

seguinte equação:

ETP = (0,457 . T + 8,13) . p

Onde:

ETP = evapotranspiração mensal (mm/mês); T = temperatura média anual em o_C

p = percentagem de horas diurnas do mês sobre o total de horas diurnas do ano

Para corrigir os valores da evapotranspiração para cada tipo de

cultura é só multiplicar a ETP pelo coeficiente de cultura K

:

ETP

= K

. ETP

Onde:

ETP_cultura = evapotranspiração potencial da cultura (mm/mês);

ETP = evapotranspiração potencial (mm/mês); K_c = coeficiente de cultura.

Coeficiente de Cultivo

Os valores de K

são tabelados para diferentes culturas nos seus

vários estágios de desenvolvimento

.

• Jensen Haise

• Turc

• Grassi

• Stephens – Stewart

• Makkink

Métodos baseados na

temperatura e radiação

Métodos baseados na temperatura

do ar e na umidade

• Blaney-Morin

• Hamon

• Hargreaves

• Papadakis

Equações combinadas

• Penman

• Christiansen

• Van Bavel

 Combina

 poder evaporante do ar

 temperatura, umidade, velocidade do vento

 poder evaporante da radiação









1

r

r

1

r

e

e

c

G

R

E













































































Penman









1

r

r

1

r

e

e

c

G

R

E













































































Penman - Monteith

Penman - Monteith

Baseados na temperatura :

 Thorntwaite- muito limitado e tende a subestimar a

evapotranspiração;

 Blaney-Criddle: utilizado para irrigação e considera o

tipo de cultura;

 Radiação ou combinado: Método Penman: utiliza dados

climáticos como temperatura, radiação solar, insolação,

umidade do solo e velocidade do vento.

Comentários sobre os métodos

de estimativa

EVTr EVTp

Umidade do solo Smx

EVTr = evapotranspiração depende da umidade do solo

Relações

A evapotranspiração da água de reservatório é de especial interesse para a geração de energia. 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.

A evaporação da água em reservatórios pode ser estimada a partir de medições de Tanques de Classe A, entretanto é necessário aplicar um coeficiente de redução em relação às medições de tanque. Isto ocorre porque 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.

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 F_t tem valores entre 0,6 e 0,8.

t

que

tan

lago

E

F

E





Evaporação em reservatórios

Evaporação em lagos

e reservatórios

O reservatório de Sobradinho, um dos mais importantes do rio São Francisco, tem uma área superficial de 4.214 km2_{, constituindo-se} 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 m3_.s-1_{, o que corresponde a 10% da} vazão regularizada do rio São Francisco. Esta perda de água por evaporação é superior à vazão prevista para o projeto de transpiração do rio São Francisco, idealizado pelo governo federal.