Evapotranspiração - Notas de Aula PDF

4. Evapotranspiração. 4. Evapotranspiração 4.1. Introdução Os processos evaporativos têm grande importância no ciclo hidrológico. De toda a precipitação que ocorre sobre os continentes, 57% evapora, enquanto que nos oceanos a evaporação corresponde a 112% do to...

4. Evapotranspiração. 4. Evapotranspiração 4.1. Introdução Os processos evaporativos têm grande importância no ciclo hidrológico. De toda a precipitação que ocorre sobre os continentes, 57% evapora, enquanto que nos oceanos a evaporação corresponde a 112% do total precipitado. Em uma região semi-árida, cerca de 96% da precipitação total anual pode evaporar. A evapotranspiração diária pode variar em uma faixa de 0 a 12 mm por dia (Porto et al., 2000) Durante uma chuva intensa, a evaporação é reduzida a um mínimo, por causa das condições de saturação do ar. Entretanto, a evapotranspiração entre as tormentas é normalmente suficiente para deplecionar completamente a umidade do solo em regiões áridas e tem influência significativa na umidade do solo e nas respostas hidrológicas futuras em todos os lugares. As estimativas de precipitação são críticas em projetos de reservatórios e planejamento agrícola. Por exemplo, a evaporação do lago Nasser, formado pela barragem de Assua, no Egito, é da ordem de 15 % da vazão anual média do Rio Nilo. As perdas de água dessa magnitude influenciam o projeto, a operação e o gerenciamento de recursos hídricos que afetam muitos países. (Bras, 1990). Sendo assim, nesta seção estudaremos os processos evaporativos que acontecem próximo à superfície da terra, são eles: evaporação, transpiração e o processo conjunto chamado de evapotranspiração. 4.2. Evaporação Evaporação é o processo físico de mudança de fase da água ocorrendo da fase líquida para a fase gasosa. Ocorre em superfícies livres de água, de solo e da água interceptada pelas plantas (Orvalho e chuva interceptada - Seção 5.3). A evaporação potencial é a taxa de evaporação de uma dada superfície, controlada climaticamente, quando a quantidade disponível e a taxa de alimentação de água à superfície são ilimitadas. 4.3. Transpiração A transpiração é um processo biofísico pelo qual a água que se fez presente no metabolismo da planta é transferido para a atmosfera na forma de vapor. Ocorre em Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 62 4. Evapotranspiração. maior parte através das folhas (estômatos e cutícula). A transpiração potencial é uma função do clima e da fisiologia da planta, ocorrendo sob uma taxa ilimitada de alimentação de água na zona de raízes. A transpiração real, sob condições limitadas de água, depende da habilidade da planta em extrair a umidade do solo parcialmente saturado com capacidade limitada de transferir água. A manutenção da transpiração é feita no sistema condutor das plantas através dos gradientes de potencial da água. 4.4. Evapotranspiração (ET) Evapotranspiração é o processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera por evaporação da água do solo, superfícies livres de água e água retida pelas plantas e pela transpiração das plantas. 4.4.1. Evaporação Potencial (ETP) ou de Referência (ET0) A evapotranspiração potencial (ETP) é a máxima evapotranspiração que ocorreria se o solo dispusesse de suprimento de água suficiente e a plantação em questão tivesse no auge da quantidade de folhas. Define-se a ETP como sendo a quantidade de água que seria utilizada por uma extensa superfície vegetada com grama, com altura entre 8 e 15 cm, em crescimento ativo, cobrindo totalmente a superfície do solo, com área foliar constante, com ampla área de bordadura e sem restrição hídrica de água no solo. É limitada pelo balanço vertical de energia. A ETP é um valor de referência, pois caracteriza a perda de água da bacia como se toda a vegetação fosse um gramado de uma espécie vegetal padronizada. Portanto, é um índice que depende das características particulares da transpiração da cultura plantada na região estudada, levando em conta apenas o clima, o tipo de solo, e as superfícies livres de água na bacia. Em geral, considera-se: IAF = 3 m2 folha / m2 solo. Albedo = 0,23 Bordadura = entre 100 e 200 m. 4.4.2. Evaporação Real (ETR) A evapotranspiração real (ETR) é a água evapotranspirada nas mesmas condições da ETP, porém, com ou sem restrição hídrica. Nos períodos de deficiência de chuva em Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 63 4. Evapotranspiração. que os solos tornam-se mais secos, a ETR é sempre menor do que a ETP. Estas diferenças também são observadas quando as plantas estão germinando e na época de colheita. No período de maturação das lavouras se dá a maior proximidade entre os valores real e potencial. Sendo assim, ETR ≤ ETP (3.1) A ETR, para uma dada cultura, depende do balanço vertical de energia e da disponibilidade hídrica da região. 4.4.3. Evaporação de Oásis (ETO) A evapotranspiração de oásis (ETO) é a quantidade de água evapotranspirada por uma pequena área vegetada úmida, circundada por uma extensa área seca, de onde provém energia por advecção. Este tipo de evapotranspiração é comum em áreas em que se aplica irrigação. A figura 4.1 ilustra este efeito. Figura 4.1: Ilustração dos diferentes tipos de evapotranspiração que ocorrem em áreas irrigadas. 4.4.4. Evapotranspiração de Cultura (ETc). É a evapotranspiração que ocorre numa cultura qualquer em uma fase fenológica de desenvolvimento sem restrição hídrica e com ampla bordadura. É a evaporação “potencial” para uma determinada cultura e está relacionada à ETP através da seguinte expressão: ETc = kc ETP (4.2) Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 64 4. Evapotranspiração. em que kc é o coeficiente de cultura, variando com o tipo de planta e fase fenológica de desenvolvimento. 4.4.5. Evapotranspiração Real de Cultura (ETr). É a evapotranspiração que ocorre em uma cultura qualquer numa dada fase fenológica de desenvolvimento, com ou sem restrição hídrica. Sendo assim: ETr ≤ Etc (4.3) 4.5. Fatores determinantes da Evapotranspiração. i. Fatores climáticos a) Radiação Líquida (Rn) b) Temperatura c) Umidade d) Vento ii. Fatores da planta a) Espécie b) Albedo c) Estádio do Desenvolvimento (IAF) d) Altura da Planta e) Sistema Radicular iii. Fatores de manejo do solo a) Espaçamento/densidade de plantio b) Orientação do Plantio c) Capacidade de armazenamento de água. 4.6. Medida de Evaporação e Evapotranspiração. 4.6.1.Medida de Evaporação. Medidas tomadas em tanques de evaporação têm sido utilizadas para estimativas em reservatórios. A popularidade de tanques prende-se ao fato de serem relativamente baratos, de simples operação e porque o coeficiente de conversão lago x tanque permanece razoavelmente constante de ano para ano, e para dada região. Entre os vários tipos de tanque, os mais utilizados são: Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 65 4. Evapotranspiração. - Tanque classe A: É um tanque cilíndrico com 1,20 de diâmetro, 25 cm de profundidade, sendo instalado sobre estrados de madeira à 15 cm da superfície do solo, sendo construído de chapa galvanizada número 14. O nível da água durante a operação é mantido entre 5 e 7,5 cm da borda. As medidas de altura da lâmina evaporada são realizadas através de um parafuso micrométrico localizado num poço tranqüilizador. A sensibilidade do parafuso é de 0,01 mm. Quando da ocorrência de chuvas, deve-se utilizar as medidas de precipitação obtidas por pluviômetros para obter-se o valor correto de evaporação. Este procedimento pode ser fonte de grande erro, principalmente durante eventos de chuva intensa. A figura 2 apresenta uma foto deste tipo de tanque. Figura 2: Tanque Classe A. Foto tirada na estação meteorológica da ESALQ. - Tanque GGI – 3000: Trata-se de um tanque cilíndrico, com diâmetro interno de 61,8 cm e altura de 60 cm, sendo enterrado no solo, com borda de 7,5 cm acima da superfície. Possui uma área evaporante de 3000 cm2. A medida da alteração de nível de água (altura da lâmina evaporada) é feita com um copo volumétrico. - Tanque de 20 m2: É um tanque cilíndrico de fundo plano construído em chapa de ferro de ¼ de polegada de espessura, com um diâmetro de 5 m e altura de 2,0 m. O tanque é enterrado e as medidas são feitas através de um parafuso micrométrico. A figura 3 apresenta uma foto deste tipo de tanque. Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 66 4. Evapotranspiração. Figura 3: Tanque de 20 m2. Foto tirada na estação meteorológica da ESALQ. A evaporação de espelhos de água (lagos) é obtida multiplicando-se a lâmina medida nos tanques por um coeficiente de ajuste, chamado de coeficiente de tanque. Oliveira (1971) apresenta as seguintes relações para as medidas de evaporação realizadas nos três tipos de tanque, comparadas com a evaporação de um lago de 1 ha: Elago = E 20m2 = 0,76 ECA = 0,95 EGGI (4.4) 4.6.2.Medida de Evapotranspiração. As medidas de evapotranspiração são feitas através de lisímetros, também conhecidos por evapotranspirômetros, que são tanques enterrados no solo, por meio dos quais mede-se a evapotranspiração potencial ou a evapotranspiração de cultura. Nos lisímetros que medem a ETP, uma grama padrão é plantada sobre o tanque e ao redor do mesmo, conforme mostra a figura 4. Este lisímetro é chamado de lisímetro de drenagem. Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 67 4. Evapotranspiração. Figura 4: Lisímetro de drenagem. Foto tirada na estação meteorológica da ESALQ. Os lisímetros de drenagem são utilizados para a medida da evapotranspiração potencial em períodos longos (> 10 dias). Como base para os cálculos é utilizado o principio de conservação de massa: ∆Arm = P + I − ET − DP (4.5) Figura 5: Termos envolvidos na conservação de massa para o cálculo da ET utilizando lisímetros de drenagem. Como o armazenamento no solo dentro do tanque é mantido constante por irrigação, a variação no armazenamento, ∆Arm, é igual a zero. Sendo assim, a expressão 4.5 pode ser escrita como: ET = P + I − DP (4.6) Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 68 4. Evapotranspiração. sendo ET a evapotranspiração, no caso apresentado potencial, P a precipitação, medida em pluviômetros, I a irrigação, e DP a drenagem profunda, medida diariamente através de uma proveta graduada. Outro tipo de lisímetro bastante utilizado é o lisímetro de lençol freático constante. Este tipo de lisímetro adota um sistema automático de alimentação e registro da água reposta de modo a manter o nível do lençol freático constante, sendo a evapotranspiração igual ao volume de água que sai do sistema de alimentação (Assis, 1978). Também é utilizado para períodos longos de tempo. Quando se deseja obter medidas de evapotranspiração em períodos mais curtos de tempo, utiliza-se outro tipo de lisímetro, o lisímetro de pesagem. Este tipo de lisímetro utiliza a medida automatizada de células de carga instaladas sob uma caixa impermeável, medindo a variação de peso desta. Deste modo, havendo consumo de água pelas plantas do lisímetro, ocorre uma diminuição do peso do volume de controle, a qual é proporcional à evapotranspiração. A figura 6 apresenta este tipo de lisímetro. (a) (b) Figura 6: (a) Lisímetro de pesagem instalado numa plantação de laranja. (b) células de carga do lisímetro. Fotos tiradas na ESALQ – Piracicaba-SP. Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 69 4. Evapotranspiração. 4.7. Métodos de estimativa de ETP. 4.7.1.Método de Thornthwaite. Primeiramente, calcula-se a evapotranspiração potencial padrão (ETp mm/mês) pela fórmula empírica ETp = 16 (10 Tn / I)a 0 ≤ Tn ≤ 26,5 ºC (4.7) em que Tn é a temperatura média do mês n, em ºC, I é um índice que expressa o nível de calor disponível na região. Se a temperatura Tn for maior que 26,5 a ETp será dada por ETp = -415,85 + 32,24 Tn – 0,43 Tn2. (4.8) O valor de I depende do ritmo anual da temperatura, integrando o efeito térmico de cada mês, sendo calculado pela fórmula 12 I = ∑ (0,2Tn ) 1, 514 (4.9) n =1 O expoente a é uma função de I e também indica um índice térmico regional, calculado pela função polinomial a = 6,75 x 10-7 I3 – 7,71 x 10-5 I2 + 1,7912 x 10-2 I + 0,49239. (4.10) Finalmente, a ETP é calculada aplicando-se uma correção que leva em conta o número de dias de cada mês e a variação do fotoperíodo do mês. ETP = ETp Cor = ETp (ND/30)(N/12) (4.11) Sendo ND o número de dias do mês e N é o fotoperíodo médio daquele mês. Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 70 4. Evapotranspiração. 4.7.2.Simplificação de Camargo. Usa uma tabela que fornece a evapotranspiração potencial diária (ETT, mm/dia) em função da temperatura média anual (Ta) e mensal (Tm), evitando-se os cálculos de I e a. Nesta tabela obtém-se ETT = ETp/30; portanto, além da correção anterior há necessidade de se multiplicar o valor de ETT por 30 para se chegar ao valor de ETP mensal. Logo, ETP = 30 ETT Cor. (4.12) 4.7.3.Método de Camargo. ETP= 0,01 Q0 T ND (4.13) em que Q0 é a irradiância solar global extraterrestre, expressa em mm de evaporação equivalente por dia, T é a temperatura média do ar e ND é o número de dias do período considerado. 4.7.4.Método do Tanque Classe A. ETP= Kp ECA (4.14) sendo Kp (o coeficiente de tanque) obtido de uma tabela ou através da relação: Kp = 0,482 + 0,024 ln (B) – 0,000376 U + 0,0045 UR (4.15) em que B é a bordadura (m), U a velocidade do vento (km/dia) e UR a umidade relativa média diária, em %. 4.7.5.Método de Hargreaves & Samani (próprio para regiões semi-áridas). ETP=0,0023 Q0 (Tmax – Tmin)0,5 (Tmed + 17,8) (4.16) 4.7.6.Método de Priestley-Taylor. Quando houver medidas do saldo de radiação no local. ETP = 1,26 W (Rn-G) /2,45 (4.17) Nesta expressão, Rn é a radiação líquida total diária (MJ m-2 d-1), G é o fluxo total diário de calor no solo (MJ m-2 d-1), W é um fator de ponderação dependente da temperatura e do coeficiente psicrométrico, sendo calculado pelas seguintes expressões: Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 71 4. Evapotranspiração. W=0,407 + 0,0145 T (0º C < T < 16 ºC) (4.18a) W=0,483 + 0,01 T (16,1 ºC < T < 32 ºC) (4.18b) Quando G não estiver disponível ele pode ser calculado em função da temperatura do ar pela equação: G=0,38 (Td – T-3d) (4.19) No caso de estimativa mensal G=0,14 (Tm – T-m) (4.20) 4.7.7.Método de Penman-Monteith. γ 900U 2 (es − ea ) 0,408s (Rn − G ) + ETP = T + 273 (4.21) s + γ (1 + 0,34U 2 ) Nesta expressão: γ=é a constante psicrométrica (0,063 kPa/ ºC) Rn= é a radiação líquida total diária (MJ m-2 d-1) G= fluxo de calor no solo (MJ m-2 d-1) s é a declividade da curva de pressão de vapor, sendo dado por: s = (4098e s ) 4.8. Exercícios. 1) O que é evapotranspiração? 2) Qual a diferença entre evapotranspiração potencial e evapotranspiração real. 3) Defina evapotranspiração de oásis. Faça um esboço ilustrando sua ocorrência. 4) Qual a diferença entre evapotranspiração de cultura e evapotranspiração real de cultura. 5) Quais são os fatores determinantes da ET. 6) Utilizando o método de Penmam-Monteith, faça uma estimativa para a evapotranspiração potencial (ETP), para as seguintes condições: Rn = 8,5 MJm-2d-1, G = 0,8 MJm-2d-1, Tmin =18 ºC, Tmax = 30 ºC, U2m = 1,8 m/s, URmin= 40%, URmax = 100% O que você espera que aconteça com o valor de ETP obtido nas seguintes situações: a) com um aumento de 100% na velocidade do vento? b) com um aumento de 100% na umidade relativa mínima? Justifique sua resposta. Notas de Aula- ACA 0429 – Agrometeorologia. Por: Edmilson Dias de Freitas 72