Interceptação 16/03/2016. Revisão: Definições e Conceitos: Definições e Conceitos: Interceptação Vegetal: Definições e Conceitos:

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1 Revisão: Interceptação de Aquino Lemos Filho Dr. Engenharia de Água e Solo Universidade Federal Rural do Semi-Árido Mossoró, RN Definições e Conceitos: A interceptação é a retenção de parte da precipitação acima da superfície do solo. A interceptação pode ocorrer devido a vegetação ou outra forma de obstrução ao escoamento como a depressão do solo. A água retorna a atmosfera por evaporação (transpiração). A interceptação, em grande parte das bacias, durante as enchentes tem um peso relativo pequeno, perto dos demais processos. Definições e Conceitos: A cobertura vegetal das bacias hidrográficas é como um reservatório com capacidade máxima de armazenamento de acordo com o tipo de vegetação. Em bacias onde a vegetação tem peso significativo e deseja-se estudar o comportamento da retirada ou acréscimo da cobertura de vegetação, é necessário retratar este processo com maior detalhe. Definições e Conceitos: Este processo interfere no balanço hídrico da bacia hidrográfica, funcionando como um reservatório que armazena uma parcela da precipitação para consumo. A tendência é de que a interceptação reduza a vazão média e a variação da vazão ao longo do ano, retardando e reduzindo o pico das cheias frequentes. Longo período Q = P ET Para uma mesma P a Q se altera em função da ET e a vegetação aumenta a ET devido a interceptação, ou seja, sem interceptação aumenta-se a vazão (Q). A interceptação vegetal depende de vários fatores: características da precipitação e condições climáticas, tipo e densidade da vegetação e período do ano. As características principais da precipitação são a intensidade, o volume precipitado e a chuva antecedente. 1

2 Fatores atuantes na interceptação vegetal: Interceptação Vegetal x Precipitação: Condições Climáticas Período do ano Condições climáticas: vento é o mais significativo efeito sazonal Pequenos volumes: praticamente ocorre 100% de interceptação. Volumes maiores: pode haver de 10 a 40% de interceptação, ou até mais. Intensidade (para mesmo volume precipitado) Vegetação Características da precipitação Tipo Densidade Intensidade Volume precipitado Chuva antecedente Precipitações precedidas por 24h de período seco produzem curva de precipitação-interceptação diferente de ocorrências precedidas por condições úmidas (Blake, 1975). Interceptação Vegetal x Precipitação: KITTREDGE et al. (1941) mediram, em 6 anos, a interceptação numa plantação de pinheiros (Pinus canariensis), achando perdas por interceptação variando de 17 a 28 %. VOIGT (1960) observou durante 2 anos, numa área florestada nos EUA, achando perdas por interceptação de 19 % em pinheiros e 25 % em florestas de espécie latifoliada (Fagus). Na Inglaterra, RUTTER (1963) mediu a interceptação em uma plantação de Pinus sylvestris, achando valor de 32 % de perda por interceptação. Interceptação Vegetal x Precipitação: LOW (1972) sugere que as perdas por interceptação são responsáveis pela redução de 50% na precipitação incidente em florestas tropicais da Malásia. SIM (1972) observou que nesta mesma região as perdas por interceptação variam de 25 a 80 % da precipitação incidente. No Brasil, uma referência pioneira refere-se a um trabalho realizado em 1936, em condições de floresta sub-tropical, citado por GEIGER (1966). Segundo esta referência, os seguintes resultados percentuais de precipitação interna, escoamento pelo tronco e perda por interceptação foram encontrados, relativamente à precipitação incidente: 34 %, 28 % e 38 %. Interceptação Vegetal x Precipitação: As perdas por interceptação vegetal podem chegar até a 25% da precipitação anual (Linsley et. al, 1949). Em regiões úmidas e com florestas (P anual 2000mm), a interceptação anual pode chegar a 250mm (Wighan, 1970). Interceptação Vegetal x Precipitação: Alguns estudos de interceptação realizados em florestas brasileiras constataram interceptações que variaram de 21% na floresta Amazônica, 18% na Mata Atlântica e 14% na Caatinga (ARCOVA et al., 2003; MEDEIROS, 2005; OLIVEIRA JUNIOR, 2005; OLIVEIRA et al., 2008). 2

3 Interceptação Vegetal x Precipitação: O tipo de vegetação (folha larga ou estreita) caracteriza a quantidade de gotas que cada folha pode reter. A densidade da vegetação indica o volume retido numa superfície de bacia. As folhas geralmente interceptam a maior parte da precipitação, mas a disposição dos troncos contribui significativamente. Em regiões em que ocorre uma maior variação climática, ou seja em latitudes mais elevadas, a vegetação apresenta uma significativa variação da folhagem ao longo do ano, que interfere diretamente com a interceptação. A época do ano também pode caracterizar alguns tipos de cultivos que apresentam as diferentes fases de crescimento e colheita. 3

4 Processo de Interceptação Determinação: equação da continuidade. A equação da continuidade do sistema de interceptação pode ser descrita por: I p = P - P i - E t Onde, I p = precipitação interceptada (mm); P = precipitação incidente (mm); P i = precipitação interna (mm); E t = escoamento pelo tronco (mm). Determinação: equação da continuidade. Precipitação incidente: pluviômetros em clareiras ou topo das árvores (alta correlação conforme Blake, 1972). Precipitação interna (atravessa as árvores): pluviômetros e drenagem especial abaixo das árvores e distribuídos de tal forma a obter uma representatividade espacial (10/12 vezes mais equipamentos para a medição do que a precipitação). Escoamento pelos troncos: representa uma parcela pequena do total precipitado (1 a 15%), e em muitos casos está dentro da faixa de erros de amostragem das outras variáveis. A medição somente é viável para vegetação com tronco de magnitude razoável. Determinação: equação da continuidade. Determinação: equação da continuidade. P i P i E t 4

5 Determinação: escoamento pelo tronco. Determinação: escoamento pelo tronco. Classes N ESTUDO DE CASO: Izidio et al. (2013) Caatinga (Iguatu, Ceará): P Total P Interna Esc. Troncos I (mm) (mm) (%) (mm) (%) (mm) (%) <10 mm 18 63,3 43,8 69,2 2,1 3,3 17,5 27,6 10-<20 mm 9 129,1 102,9 79,7 13,4 10,4 12,8 9,9 20-<40 mm 5 146,0 116,3 79,6 11,8 8,1 17,9 12,3 40 mm 7 439,8 341,4 77,6 35,3 8,0 63,1 14,4 ESTUDO DE CASO: Izidio et al. (2013) Caatinga (Iguatu, Ceará): Referência P interna Esc. Tronco I (%) (%) (%) Local Tipo de floresta Izidio et al. (2013) 73,9 5,45 17,9 Brasil Caatinga Medeiros (2005) 79,8 5,90 14,3 Brasil Caatinga densa Arcova et al. (2003) 81,2 0,20 18,6 Brasil Mata Atlântica Oliveira (2008) 76,8 1,70 21,5 Brasil Floresta Tropical Oliveira Junior (2005) 80,0 1,70 18,3 Brasil Mata Atlântica 1 ESTUDO DE CASO: Izidio et al. (2013) Caatinga (Iguatu, Ceará): ESTUDO DE CASO: Izidio et al. (2013) Caatinga (Iguatu, Ceará): 5

6 Modelos conceituais: Horton (1919): E = evaporação da superfície de evaporação (mm/h) Relacionou o volume interceptado durante uma enchente com a capacidade de interceptação da vegetação e a taxa de evaporação. t p = duração da precipitação (horas) C a = capacidade de armazenamento da vegetação para a área (mm) A v = Área de Vegetação A = Área Total I p =C a +(A v /A).E.t p Modelos conceituais: Horton (1919): Crawford e Linsley (1966) utilizaram o critério no modelo Stanford IV e sugeriram os valores da tabela a seguir para a capacidade máxima do reservatório de interceptação (C a ) em função do tipo de cobertura vegetal. Cobertura C a (mm) Campo, prado 2,50 Floresta 3,75 Floresta densa 5,00 Modelos conceituais: Horton (1919): LIMITAÇÕES: Modelos conceituais: Merian (1960): Introduziu a precipitação (P) na equação original de Horton, usando a expressão exponencial: I p = C a + (Av/A). E. t p Na metodologia de Horton (1919) a interceptação é independente da precipitação; e A capacidade de armazenamento deve ser preenchida, o que necessariamente não ocorre na realidade. I p = C a. (1-e - P/Ca ) + (A/Av). E. t p I p = C a. (1-e - P/Ca ) + R. E. t p O termo da direita da equação é transformado para: I p = C a (1-e - P/Ca ) + K. P Onde: K = (R. E. t p ) é adotado constante. Valor adotado é constante. Isto significa que a relação entre E e P é constante, o que não ocorre necessariamente durante uma tempestade. Modelos conceituais: Determinação Empírica: Modelos conceituais: Determinação Empírica: Cobertura vegetal a b n Pomar 0,04 0,018 1,00 Fraxinus americana 0,02 0,018 1,00 Fagus grandifolia 0,04 0,18 1,00 Carvalho 0,05 0,18 1,00 Acer pseudoplatanus 0,04 0,18 1,00 Arbustos 0,02 0,40 1,00 Pinus 0,05 0,20 0,50 Pequenas culturas 0,02h 0,15h 1,00h Pasto 0,005h 0,08h 1,00 Forrageiras 0,01h 0,10h 1,00 Pequenos grãos 0,005h 0,05h 1,00 Milho 0,05h 0,005h 1,00 Os coeficientes, para alguns cultivos, são multiplicados pela altura da planta h em pés Equações de regressão relacionando as principais variáveis e ajustadas a diferentes tipos de dados. Modelo: I p = a + b x P n Onde, I p = interceptação, polegadas; P = precipitação incidente, polegadas; a, b e n = parâmetros ajustados ao local. Cobertura vegetal f Pomar - Fraxinus americana - Fagus grandifolia - Carvalho - Acer pseudoplatanus - Arbustos - Pinus - Pequenas culturas 0,25h Pasto 1,00 Forrageiras 1,00 Pequenos grãos 1,00 Milho 0,1h f = parcela de vegetação sobre a área de interesse Para a estimativa do volume total interceptado utiliza-se o fator de projeção f que é multiplicado ao valor de I p, para se obter a interceptação média da área. Normalmente são utilizadas versões lineares desta equação, o que simplifica ainda mais o problema, já que a expressão não leva em conta a intensidade, umidade antecedente, velocidade do vento, entre outros fatores. 6

7 Armazenamento nas depressões do solo 16/03/2016 Existem obstruções naturais e/ou artificiais ao escoamento, que acumulam parte do volume precipitado, retardando o escoamento superficial da água no solo. As depressões do solo ou a baixa capacidade de drenagem podem provocar o armazenamento de grandes volumes de água e redução da vazão da bacia. Linsley et al. (1949) utilizou a seguinte expressão empírica para retratar o volume retido pelas depressões do solo após o início da precipitação: V d = V máx ( 1 - e -kpe ) Onde, V d = volume retido nas depressões; V máx = capacidade máxima; Pe = precipitação efetiva; k= coeficiente equivalente a 1/V máx. No modelo de Linsley et al. (1949), admitese que no início da precipitação as depressões estão vazias e para gerar escoamento superficial é necessário que as depressões estejam preenchidas. Ou seja, são aproximações do comportamento real já que o escoamento superficial ocorre sem que as depressões sejam todas preenchidas. Viessman (1967) apresentou uma relação entre capacidade das depressões e declividade do solo obtida com base em quatro pequenas bacias impermeáveis, indicando uma grande correlação entre as variáveis. Viessman (1967) No rio Paraguai (Pantanal) observa-se em alguns trechos que a vazão média diminui para jusante devido ao aumento das áreas de inundação que represam parte do volume a montante. Pantanal Pantanal 7

8 Pantanal Pantanal Pantanal Pantanal Meandros (rio extremamente sinuoso): Formação de meandros abandonados (lago ferradura): 8

9 Formação de meandros abandonados (lago ferradura): Meandros abandonados: Rio São Lourenço - MT: Rio São Lourenço (MT) em mapa baseado em imagem aérea de 1967 Rio São Lourenço (MT) em imagem de satélite LANDSAT de 1988 Impactos Antrópicos na Interceptação: Impactos Antrópicos na Interceptação: Classificação Mudança da superfície O uso da superfície Método de alteração Tipo 1. Desmatamento 2. Reflorestamento 3. Impermeabilização 1. Urbanização 2. Reflorestamento para exploração sistemática 3. Desmatamento : extração de madeira, cultura de subsistência; culturas anuais; culturas permanentes 1. Queimada 2. Manual 3. Equipamentos 9

10 Desmatamento: Tende aumentar o escoamento (vazão) em uma bacia hidrográfica; Dependendo da escala do desmatamento, pode haver alteração no regime pluviométrico da região, diminuindo ou aumentando vazão; LAL (1981) mostrou que o aumento do escoamento superficial, utilizando desmatamento manual, uso de tratores de arraste e tratores com lâminas para arado são, respectivamente, 1%, 6,5% e 12% da precipitação. Tipo de desmatamento Desmatamento: Preparo ou tipo de plantio Área (ha) Escoamento anual (mm/ano) Floresta sem alteração Desmatamento tradicional Plantio direto 2,6 3,0 6,6 Limpeza manual Sem preparo 3,1 16,0 16,1 Limpeza manual Preparo convencional 3,2 54,0 79,7 Trator com lâminas Sem preparo 2,7 86,0 104,8 Trator tree-pusher Sem preparo 3,2 153,0 170,0 Trator tree-pusher Preparo convencional 4,0 250,0 330,6 Desmatamento: Desmatamento: Estudo de caso: Bacia do Rio Paraná. Vazões médias anuais afluentes em Itaipu, Rio Paraná. Aumento da vazão média em cerca de 30% ao longo do rio Paraná; Seções do Rio Paraná Antes de Aumento (%) Rio Paraná (Jupiá) 5,85 6,97 19,1 Rio Paraná (São José) 6,90 8,52 23,3 Rio Paraná (Guaira) 8,62 11,56 34,1 Rio Paraná (Posadas) 11,60 14,26 22,9 Rio Paraná (Corrientes) 15,23 19,51 27,8 Rio Paranapanema (Rosana) 1,06 1,55 46,2 10

11 Médias móveis das vazões afluentes em Itaipu. Urbanização: Aumento das vazões médias de cheia (em até 7 vezes, Leopold,1968) devido ao aumento da capacidade de escoamento através de condutos e canais e impermeabilização das superfícies; Aumento da produção de sedimentos devido à desproteção das superfícies e à produção de resíduos sólidos (lixo); Deterioração da qualidade da água superficial e subterrânea, devido à lavagem das ruas, ao transporte de material sólido, às ligações clandestinas de esgoto cloacal e pluvial, e à contaminação direta de aquíferos. 11

12 VAZÃO 16/03/2016 Urbanização x Balanço Hídrico: Urbanização x Balanço Hídrico: Evapotranspiração Interceptação vegetal Evapotranspiração Interceptação Escoamento superficial Escoamento superficial Escoamento subsuperficial Escoamento subterrâneo Escoamento subsuperficial Escoamento subterrâneo Urbanização x Escoamento (Vazão): Urbanização x Geometria do escoamento: Grande enchente Pico maior (mais rápido) Aumento do volume Não urbanizada Urbanizada Pequena enchente Limite da área de inundação Maior escoamento de base Pico menor (mais lento) Recessão gradual Nível mínimo de verão Limite da área de inundação TEMPO Nível mínimo de verão Conclusões: O efeito do desmatamento pode variar com a escala e com as condições de funcionamento da atmosfera; Quando o desmatamento ocorre sobre pequenas áreas a tendência é de aumento do escoamento já que não pode influenciar a precipitação; Em algumas áreas onde o pólen das árvores é o núcleo de formação de determinados tipos de chuva existe a possibilidade de alteração da precipitação e o efeito ser o inverso, com redução da precipitação e também diminuição da vazão; O efeito sobre grandes bacias ainda é desconhecido, podendo variar nos dois sentidos. Próximo assunto: Infiltração 12