Balanço Hidrográfico

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Balanço Hidrográfico

  1. 1. INPE-13140-PRE/8399 BALANÇO HÍDRICO Javier Tomasella Luciana Rossato Tópicos em Meio Ambiente e Ciências Atmosféricas INPE São José dos Campos 2005
  2. 2. MEIO AMBIENTE E CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS 9 - BALANÇO HÍDRICO ÍNDICE INTRODUÇÃO RESUMO COMPETÊNCIAS PALAVRAS-CHAVE 9.1 - O que é balanço hídrico? 9.2 - Para que se utiliza o balanço hídrico? 9.3 - Como se determina o balanço hídrico? 9.4 - Modelos utilizados para o cálculo do balanço hídrico 9.5 - Precipitação 9.6 - Irrigação 9.7 - Evapotranspiração 9.8 - Escoamento Superficial 9.9 - Drenagem profunda 9.10 Armazenamento de água no solo 9.11 Equação simplificada do balanço hídrico 9.12 Considerações feitas no balanço hídrico 9.13 Cálculo do balanço hídrico ATIVIDADES PERGUNTAS E RESPOSTAS GLOSSÁRIO LINKS AVALIAÇÃO
  3. 3. INTRODUÇÃO RESUMO O objetivo deste capítulo é apresentar todos os conceitos envolvidos no cálculo do balanço hídrico. Vamos ver as suas formas de obtenção e o calculo de umidade do solo. COMPETÊNCIAS Aprender o que é Balanço Hídrico. Descobrir as utilidades do Balanço Hídrico. Conhecer alguns meios de calcular o Balanço Hídrico. PALAVRAS-CHAVE Balanço hídrico, evapotranspiração, ponto de murcha, drenagem, escoamento, irrigação, precipitação. 9 – Balanço Hídrico
  4. 4. 9.1 - O QUE É BALANÇO HÍDRICO? O balanço hídrico é a somatória das quantidades de água que entram e saem de uma certa porção do solo em um determinado intervalo de tempo. O resultado é a quantidade líquida de água que nele permanece disponível às plantas. Os vários componentes de entrada do balanço hídrico de uma zona radicular hipotética podem ser representados através de um diagrama esquemático. Nesta representação considera-se somente o movimento vertical de água dentro do volume de solo analisado. O que entra neste sistema é apenas a água da precipitação. O que sai é resultado da evapotranspiração real e da água que percola abaixo do alcance do sistema radicular das plantas que ali se encontram. 9. 2 - PARA QUE SERVE O BALANÇO HÍDRICO? A principal utilização do balanço hídrico é identificar locais onde uma determinada cultura pode ser explorada com maior eficácia. Os balanços hídricos têm sido utilizados para estimar parâmetros climáticos e, a partir deles, estabelecer comparações entre as condições predominantes em locais diferentes. Se a mesma metodologia de cálculo do balanço hídrico for adotada para todos os locais de uma mesma região, é possível identificar os locais climaticamente favoráveis para a exploração de uma determinada cultura a partir da comparação dos resultados obtidos. 9. 3 - COMO SE DETERMINA O BALANÇO HÍDRICO? Determinar o balanço hídrico não é uma atividade simples e, ás vezes, nem sempre é possível. Por essas dificuldades, os pesquisadores estão buscando diversas formas de estimar o balanço hídrico como por exemplo a partir de variáveis meteorológicas. Estes tipos de estudos ficam restritos a pequenas áreas e tem o objetivo de apenas verificar modelos matemáticos desenvolvidos para simular o balanço hídrico. As medidas necessárias ao balanço hídrico exigem equipamentos sofisticados e de mão-de-obra especializada. 9. 4. MODELOS UTILIZADOS PARA O CÁLCULO DO BALANÇO HÍDRICO Existem diversos métodos para o cálculo do balanço hídrico, sendo que cada um tem uma finalidade diferente. Um dos modelos mais conhecidos foi proposto por Charles Warren Thornthwaite (1948) e posteriormente modificado por John Russ Mather, (1955) que ficou conhecido como Balanço Hídrico de Thornthwaite e Mather. A principal função deste balanço é servir como base para uma classificação climática. O método proposto por Thornthwaite e Mather tem sido amplamente utilizado por possibilitar a previsão da variação temporal do armazenamento de água no solo. Ele inclui estimativas da evapotranspiração real, déficit hídrico e excedente hídrico. Esse
  5. 5. método considera que a taxa de perda de água por evapotranspiração varia linearmente com o armazenamento de água no solo. Em condições naturais um ecossistema cultivado apresenta um balanço hídrico que pode ser expresso da seguinte forma: P + I – ET – R ± D ± ∆A = 0 Sendo P a precipitação, I a irrigação, ET a evapotranspiração, R o escoamento superficial da água, D a drenagem profunda e ∆A a variação da água armazenada no solo. 9. 5. PRECIPITAÇÃO Precipitação é a água proveniente do vapor d'água da atmosfera depositada na superfície terrestre de diversas formas: chuva, granizo, orvalho, neblina, neve e geada. No entanto, é comum tratar a precipitação somente sob a forma de chuva por ser esta mais fácil de medir, por ser bastante incomum a ocorrência de neve em nosso continente e porque as outras formas de precipitação contribuem pouco para a vazão dos rios. 9.6. IRRIGAÇÃO Irrigação é a aplicação de água sobre o solo feita pelo homem para repor a umidade necessária na zona das raízes. Esta atividade que substitui a chuva favorece o crescimento das plantas. Por exemplo, quando não chove o suficiente ou chove fora de época no verão, que é quando as plantas começam a se desenvolver, acontece um período de estiagem chamado de “veranico”. Nesse caso, a irrigação é necessária para que a planta cresça normalmente. A vantagem da irrigação é garantir ao produtor produzir mais e obter produtos de melhor qualidade sem correr o risco de não haver chuva. A irrigação promove a umidade necessária às raízes e impede que a planta cresça devagar ou seque. Além disso, através da mistura de nutrientes na água da irrigação, consegue-se o perfeito aproveitamento destes pela planta. 9.7 EVAPOTRANSPIRAÇÃO Evapotranspiração é o termo utilizado para expressar essa ocorrência simultânea dos processos de evaporação e de transpiração (evaporação pelas plantas). Medidas de evapotranspiração. A medida direta da evapotranspiração é extremamente difícil e cara pois exige a instalações e equipamentos especiais. Por isso ocorrem apenas em condições experimentais. Os experimentos são importantes pois subsidiam a busca de soluções práticas para determinação da evapotranspiração em larga escala, e que geralmente necessitam de irrigações suplementares para serem lucrativas. Para a medida direta da evapotranspiração utilizam-se lisímetros ou evapotranspirômetros. Estes equipamentos consistem de uma caixa impermeável, contendo um volume de solo, e que permite conhecer com detalhe alguns termos do balanço hídrico do volume amostrado. A evapotranspiração pode ser calculada através de diversos métodos, muitos dos quais são muito aceitos, enquanto outros são criticados ou
  6. 6. até desprezados. Diferentes conceitos de evapotranspiração. Para a avaliação do balanço hídrico de uma região, é necessário introduzir os diferentes conceitos de evapotranspiração. São eles: • Evapotranspiração potencial: significa a água utilizada por uma extensa superfície vegetada, em crescimento ativo e cobrindo totalmente um terreno bem suprido de umidade. Ou seja, em nenhum instante a demanda atmosférica é restringida por falta d’água no solo. • Evapotranspiração real: é aquela que ocorre numa superfície vegetada, independente de sua área, de seu porte e das condições de umidade do solo. Portanto, é aquela que ocorre em qualquer circunstância, sem imposição de qualquer condição de contorno. • Evapotranspiração de referência: é aquela de uma extensa superfície, coberta totalmente por grama com altura de 0,08 a 0,15 m, em crescimento ativo e sem deficiência hídrica. 9.8 ESCOAMENTO SUPERFICIAL A água que precipita nos continentes pode tomar vários destinos. Um deles é o escoamento superficial que ocorre sobre a superfície do terreno. A parte restante penetra no interior do solo, subdividindo-se em duas. Uma parcela se acumula na sua parte superior e pode voltar à atmosfera por evapotranspiração. Outra caminha em profundidade até atingir os lençóis freáticos e vai constituir o escoamento subterrâneo. Tanto o escoamento superficial como o escoamento subterrâneo vão alimentar direta ou indiretamente os lagos e oceanos através do desaguamento ou dos cursos de água que para lá escorrerão. O escoamento superficial constitui uma resposta rápida à precipitação e cessa pouco tempo depois dela. Já o escoamento subterrâneo, em especial quando se dá através de meios porosos, ocorre com grande lentidão e continua a alimentar o curso de água por longo tempo após ter terminado a precipitação que o originou. 9.9 DRENAGEM PROFUNDA. Drenagem profunda é o movimento de água livre contida no solo que escoa pela ação da gravidade. A água em excesso, que escorre ou que se perde por drenagem profunda, é aquela que vai reabastecer os mananciais de água, como os rios, lagos, açudes e também o lençol freático. A drenagem profunda expressa o excesso de água que penetrou no volume através das chuvas ou irrigação. 9.10 ARMAZENAMENTO DE ÁGUA NO SOLO. O solo é o armazenador e fornecedor de água e nutrientes às plantas. Por fenômenos de absorção e capilaridade, ele retém a umidade das chuvas que as plantas necessitam.
  7. 7. Dependendo do conteúdo de água no solo, as plantas terão maior ou menor facilidade em extrair água. À medida que o solo seca, torna-se mais difícil para as plantas absorver a água. Isso porque vai aumentando a força de retenção. Por isso, nem toda água que o solo consegue armazenar está disponível às plantas. Em geral diz-se que em uma determinada região chove em média 1200 mm por ano. O que isso quer dizer? A água da chuva é medida por pluviômetros. Eles têm uma área de captação S (cm2) e coletam um volume V (cm3) de água durante uma chuva. A altura de chuva é h (cm) = V/S. Logo, se jogarmos 1 litro de água sobre uma superfície plana e impermeável de 1 m2, obteremos uma altura de 1 mm. Assim, 1 mm de chuva corresponde a 1 l/m2 e, portanto, 1200 mm a 1200 l/m2. Então, se toda a água que precipita nesta região não infiltrasse, nem escorresse ou evaporasse, ao final de 1 ano teríamos 1,2 m de água distribuídos por toda a área. Da mesma forma como no caso da chuva, a altura da água armazenada pelo solo também é medida em mm. Esta água independe da área e para o caso de uma superfície unitária, h = V. Tomemos, então, como superfície unitária o cm2 e consideremos o primeiro cm de profundidade do solo. Neste caso V=1 cm3 de solo com umidade θ1 (cm3 de água por cm3 de solo e S = 1 cm2). Temos então um volume V igual a θ1 cm3 de água por cm3 e então θ1 = h1. Vejamos um exemplo: se 1 cm3 de solo tem θ = 0,35 cm3. cm-3, isto significa que naquele cm3 de solo cuja base é 1 cm2 temos 0,35 cm3 de água. Portanto, a altura de água é 0,35 cm ou 3,5 mm. Seguindo o mesmo raciocínio, o segundo cm de solo com umidade θ2 terá uma altura de água h2 = θ2 e assim por diante, de tal forma que o enésimo cm de água com umidade θn terá uma altura hn = θn. É lógico, portanto, que até uma profundidade L a altura de água armazenada é a soma de todas as camadas de 1 cm até L. Seja a quantidade de água armazenada até a profundidade L igual a AL, então: n AL = ∑ θi i =1 9.11. EQUAÇÃO SIMPLIFICADA DO BALANÇO HÍDRICO. O balanço hídrico pode ser calculado considerando uma situação onde o que entra no sistema é a água proveniente da precipitação, o que sai é devido a evapotranspiração real e o que percola está abaixo do alcance do sistema radicular da cultura. O balanço hídrico pode ser calculado da seguinte forma: St+1 = St + PREt – ETRt sendo S o armazenamento de água no solo disponível para as plantas (mm), PRE a precipitação (mm), t o tempo, e ETR a evapotranspiração real da vegetação (mm). 9.12 CONSIDERAÇÕES FEITAS NO BALANÇO HÍDRICO 1 No balanço hídrico considera-se que o armazenamento de água no solo varia entre o ponto de murcha e a capacidade de campo. O excesso, ou
  8. 8. seja, a quantidade de água acima da capacidade de campo do perfil de solo, resulta na drenagem profunda ou no escoamento superficial. A diferença entre a capacidade de campo e ponto de murcha em função da profundidade radicular é definida como sendo a capacidade de água disponível no solo, a qual é estimada a partir de funções de pedo-transferência. Uma função de pedo-transferência é aquela que tem como argumento dados básicos que descrevem o solo (como por exemplo, o percentual de areia, de silte, de argila, o conteúdo de carbono, de matéria orgânica e outros), gerando como resultado a retenção de água no solo. 9.13 CONSIDERAÇÕES FEITAS NO BALANÇO HÍDRICO 2 Outra variável considerada no cálculo do balanço hídrico é a evapotranpiração real. Esta é obtida conforme metodologia sugerida pela FAO (Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação). De acordo com ela, a quantidade de água transpirada pela planta depende do armazenamento de água no solo. A FAO sugere utilizar uma função simples que leve em conta este efeito, através da definição da fração de água facilmente disponível, p. Neste conceito, admite-se que até que essa fração p da capacidade de água disponível (CAD) seja utilizada não há redução significativa na produtividade da cultura. Logo, define-se deficiência hídrica quando o armazenamento está abaixo da água disponível. No entanto, como o objetivo é evitar que as plantas sofram danos por deficiência hídrica, a condição limite para que isso não aconteça é considerar o armazenamento. 9.14CONSIDERAÇÕES FEITAS NO BALANÇO HÍDRICO 3 Á medida que a umidade do solo decresce haverá um ponto em que a evapotranspiração real torna-se menor do que a evapotranspiração potencial, o que estabelece uma relação linear entre o decréscimo de umidade do solo e o decréscimo da razão entre evapotranspiração real e evapotranspiração potencial. O coeficiente p indica a proporção do total de água disponível que pode ser transpirada a uma taxa potencial (ETR=ETP). Abaixo desse armazenamento, a ETR é proporcional ao armazenamento remanescente no perfil, isto é: ETR = ETP.......................................A > CAD (1 − p) A ETR = ETP ...................A ≤ CAD (1 − p) CAD (1 − p) A fração p depende do tipo de solo, da sensibilidade do cultivo ao estresse hídrico e do valor de ETP. Para períodos decendiais e mensais, é necessário estimar a evapotranspiração real média levando em conta o número de dias em que ETP = ETR. Assim, as Equações de evapotranspiração real foram integradas nos dois casos. A seguir, apresentam-se as soluções da Equação de balanço para cada caso:
  9. 9. Para A > CAD (1 − p) ⇒ ETR = ETP A t +1 = A t + (PRE − ETP) ∆t A Para A ≤ CAD (1 − p) ⇒ ETR = ETP CAD (1 − p) ∆t − A t +1 = PRE.COEF − [PRE.COEF − A t ].e COEF (1 − p) CAD em que COEF = ETP Assim sendo, a solução do balanço hídrico resultou das soluções da Equação de evapotranspiração acumulada no período, apresentada nos dois casos. 9.15 CÁLCULO DO BALANÇO HÍDRICO. O cálculo do balanço hídrico é um indicativo da quantidade de água que permanece no perfil de solo, ou seja, a real umidade do solo. O balanço hídrico é calculado a partir das soluções da equação de evapotranspiração acumulada no período, ou seja, considerando as soluções da evapotranspiração para o armazenamento maior que a fração (1-p) CAD e, também, quando o armazenamento for menor ou igual a (1-p) CAD. É importante ressaltar que, o perfil de solo para fins do balanço hídrico deve coincidir com a profundidade do sistema radicular, pois o que interessa é a quantidade de água disponível para a vegetação natural e/ou as culturas agrícolas. ATIVIDADES Utilize a Internet e os links fornecidos para buscar mais informações sobre o balanço hídrico e como ele pode auxiliar na agricultura. Depois, monte um mural sobre o tema. PERGUNTAS E RESPOSTAS P - Como o balanço hídrico pode ajudar na agricultura? R – De várias maneiras, sendo as mais importantes fornecendo informações que permitem ao agricultor conhecer o melhor momento para realizar cada uma das etapas da cultura, definir qual a melhor cultura para uma região, poder prevenir-se de eventuais prejuízos causados pela falta ou excesso de água, etc. GLOSSÁRIO absorção - Relação entre a quantidade de água que pode ser retida no solo e a quantidade total de água do solo saturado ou o volume total de poros do solo. capacidade de campo - limite máximo de água no solo.
  10. 10. capilaridade – Fenômeno associado à tensão superficial de um líquido, particularmente em tubos capilares e meios porosos, onde existem as interfaces gás, líquido e sólido. condição de contorno – valores ou regras impostas a um determinado tipo de situação. cultura – tipos de vegetação/planta. déficit hídrico - situação na qual a saída de água num ambiente é maior que a retenção. demanda atmosférica – procura das variáveis atmosféricas tais como insolação, umidade relativa e velocidade do vento. evapotranspiração real – evapotranspiração medida diretamente no campo. evapotranspirômetros – Instrumento para medir a evapotranspiração. excedente hídrico – situação onde a retenção de água num ambiente é maior que a saída. lençóis freáticos – Quando a água da chuva chega à superfície, pode tomar diferentes caminhos: uma parte penetra no solo, formando o lençol freático ou lençol de água, que é a água que se acumula no subsolo e abastece os poços, nascentes e rios. lisímetros – Recipiente que contem uma amostra do solo local e cuja parte superior está ao nível da superfície do terreno, destinando-se ao estudo das várias fases do ciclo hidrológico, como por exemplo os fenômenos de infiltração, escoamento, evapotranspiração, eliminação de componentes solúveis pela drenagem, etc. mananciais. – mina d`água, fonte. percolação – Perdas de água por infiltração no solo a partir de um canal. pluviômetros – Instrumento para medir a precipitação. ponto de murcha – ponto no qual uma planta murcha e não se recupera mais. veranico – O veranico caracteriza-se por um período de alguns dias de seca, totalmente sem chuva e com uma baixa umidade relativa do ar. zona radicular – Camada do solo onde se desenvolvem as raízes das plantas.
  11. 11. LINKS: Nome do site: Universidade Metodista de Piracicaba Descrição: Balanço hídrico Url: http://www.unimep.br/niemaes/Demanboro-abrh1.htm Nome do site:Universidade de São Paulo Descrição: O planeta água Url: http://www.bibvirt.futuro.usp.br/textos/humanas/geografia/tc2000/1geo13.pdf Nome do site: Universidade de São Paulo Descrição: Url: http://www.seei.com.br/atmometro_seei.htm Nome do site: Universidade de São Paulo Descrição: Url: http://www.itaya.bio.br/BotanicaII/Balhidriplan.pdf Nome do site:Universidade de São Paulo Descrição: Url: http://www.indshop.com.br/carvamach/balhid.htm Nome do site: Universidade de São Paulo Descrição: Url: http://ciiagro.iac.sp.gov.br/ciiagroonline/MenuBH.htm Nome do site: Universidade de São Paulo Descrição: Url: http://www.inmet.gov.br/sistemas/bal_cultura/site1/proagro.htm
  12. 12. AVALIAÇÃO Questão: 01 O Balanço Hídrico é o cálculo de toda a quantidade de água que entra numa determinada porção de solo. Resposta: Falso Questão: 02 O Balanço Hídrico pode ser utilizado para identificar locais onde uma determinada cultura pode ser explorada. Resposta: Verdadeiro Questão: 03 No cálculo do Balanço Hídrico, são levadas em conta variáveis como: precipitação, evapotranspiração, escoamento superficial, drenagem profunda, dentre outras. Resposta: Verdadeiro

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