Monitoramento e Modelagem do processo de interceptação da chuva de uma bacia coberta por Floresta Ombrófila Mista

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA UFSC CENTRO TECNOLÓGICO CTC PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AMBIENTAL - PPGEA Monitoramento e Modelagem do processo de interceptação da chuva de uma bacia coberta por Floresta Ombrófila Mista João Henrique Macedo Sá Orientador: Prof. Dr. Pedro Luiz Borges Chaffe Florianópolis, fevereiro de 215

2 INTRODUÇÃO

3 O processo de interceptação INTRODUÇÃO O processo de interceptação é a parte da precipitação retida acima da superfície do solo. A perda por intercepção é igual à soma da mudança de armazenamento (Si) e a perda por evaporação (Ei) da superfície molhada: I ds dt i E i Processo = Armazenamento + Fluxo A perda por interceptação varia de 1 a 5% da precipitação. 1

4 Estimativa da perda por interceptação INTRODUÇÃO A estimativa e tratada como um simples balanço hídrico, I sendo o total das perdas por interceptação, I c é a perda por interceptação da copa e I f perda por interceptação do chão da floresta. ds dt i E i I c I f I c P (Tf Sf ) I P (Tf Giglio, 213 Sf ) I f 2

5 Métodos para estimar a perda por interceptação INTRODUÇÃO Monitoramento Modelagem CUSTO PARÂMETROS DE ENTRADA 3

6 Porque estudar a interceptação em FOM? INTRODUÇÃO Os estudos predominam na região Amazônica e Mata Atlântica; A maioria dos estudos foi realizada em florestas plantadas; Poucos estudos de interceptação em FOM; Thomaz (25) monitorou a chuva interna em FOM; Giglio (213) estudou o processo de interceptação em FOM 4

7 5 Estudos realizados na bacia Araponga INTRODUÇÃO O índice de cobertura do dossel variou de 54 a 94%; Chuva interna é heterogênea, a vegetação tem efeito na distribuição ; A chuva interna não tem correlação com índice de cobertura do dossel; O escoamento de tronco tem medidas muito heterogêneas; Giglio, 213 A interceptação pela copa está linearmente relacionada com a chuva externa; Não teve monitoramento automático.

8 OBJETIVOS

9 6 Objetivo Geral OBJETIVOS Compreender e estimar os processos de interceptação da chuva em uma bacia coberta por Floresta Ombrófila Mista através de monitoramento e modelagem.

10 7 Objetivos Específicos OBJETIVOS Quantificar a chuva interna, o escoamento de tronco e a perda por interceptação na bacia experimental; QUANTO? Verificar a relação entre os componentes da interceptação (chuva interna, cobertura florestal e escoamento de tronco) e as características da chuva; TEM RELAÇÃO? Analisar a distribuição espacial da chuva interna e da cobertura florestal; COMO? Modelar o processo de interceptação da bacia utilizando os modelos de Rutter e de Gash. TEM DIFERENÇA?

11 MATERIAIS E MÉTODOS

12 A área de estudo é a bacia do Rio Araponga MATERIAIS E MÉTODOS 8 5,4 ha; A bacia é de segunda ordem; Coberta por Floresta Ombrófila Mista; Clima: mesotérmico úmido, sem estação seca.

13 Estação meteorológica do Rio Feio MATERIAIS E MÉTODOS Parâmetros monitorados 9 Chuva Temperatura Umidade Radiação Incidente e Refletida Velocidade e Direção do Vento

14 Estimativa da chuva externa A chuva externa é homogênea ou heterogênea? 1 MATERIAIS E MÉTODOS 1 pluviógrafo medindo a cada 5 minutos e 4 pluviômetros monitorando a cada 15 dias

15 Estimativa da chuva interna MATERIAIS E MÉTODOS 11 1 pluviômetros instalados dentro da bacia, com período de leitura de 15 dias ; Calha de,2 x 3 m conectada ao pluviógrafo medindo a cada 5 minutos

16 Monitoramento do escoamento de tronco MATERIAIS E MÉTODOS 12 Coletores do tipo espiral e colar para o monitoramento individual das árvores, com período de monitoramento de 15 dias ; 4 árvores interligadas a um pluviógrafo para o monitoramento a cada 5 minutos

17 Estimativa do escoamento de tronco MATERIAIS E MÉTODOS 13 Foram utilizados dois métodos para o cálculo da altura do escoamento de tronco MÉTODO I MÉTODO II Sf 1 Sf A L copa A A c.total c.totalint Fator de correção Sf 2 Sf A L copa A A copa Int

18 Estimativa da cobertura florestal MATERIAIS E MÉTODOS As fotografias foram classificadas em pixels preto (cobertura) e pixels brancos (abertura). Np ICD 1 Np Nb 14

19 Análise da distribuição espacial da Tf 15 MATERIAIS E MÉTODOS Monitoramento da Tf e ICD em uma área circular de 3 metros; 28 Pluviômetros distribuídos uniformemente.

20 Modelos de interceptação MATERIAIS E MÉTODOS 16 Existem diversos modelos para estimativa da perda por interceptação Os dois modelos mais usados são o modelo de Rutter (Rutter et al., 1975) e o modelo de Gash (Gash, 1979). Gash Analítico (evento) Rutter Dinâmico (tempo)

21 Modelos de interceptação 17 MATERIAIS E MÉTODOS RUTTER Trata a árvore como um tanque de armazenamento de água. Chuva interna Tf 1 cp c1 pd D c dt Escoamento de Tronco Sf c p d D dt S c t,c E t, c dt c é a proporção de cobertura florestal; p d de água desviada da copa para o tronco; D c drenagem de copa por unidade de cobertura; S t,c capacidade de armazenamento de tronco por unidade de cobertura; E t,c Taxa de evaporação de tronco por unidade de cobertura.

22 Modelos de interceptação MATERIAIS E MÉTODOS GASH Separa o processo em 3 fases: 1. Molhagem ou umedecimento; 2. Saturação; 3. Secagem. Para P<P ou P<P insuficiente para saturar I m Copa c m j 1 P n q Para P P ou P P suficiente para saturar I n cnp' Copa 1 E R I n j 1 P P' Tronco 1 E pdc1 R n j 1 Tronco Iq qs t P P' c é a proporção de cobertura florestal; p d de água desviada da copa para o tronco; ɛ é a relação entre taxa de evaporação de tronco e taxa de evaporação de copa; S t capacidade de armazenamento do tronco; 18

23 RESULTADOS E DISCUSSÃO

24 Índice de Cobertura do Dossel (%) Índice de cobertura do dossel RESULTADOS E DISCUSSÃO Verifica-se a variação do ICD entre os pontos A12 A3 A4 B1-2 B3 B4 Z1-2 Z3 Z4 Pontos de Monitoramento 19

25 Chuva externa Chuva Externa utilizando pluviômetro (mm) Chuva Externa utilizando pluviômetro (mm) Chuva Externa utilizando pluviômetro (mm) Chuva Externa utilizando pluviômetro (mm) RESULTADOS E DISCUSSÃO 4 4 A chuva externa precipitada sobre a bacia é homogênea Pluv = 1,58 +,79P R² =, E1 = 21,43 +,6P R² =, Capacidade máxima dos pluviômetros de 256 mm 5 Ponto Pluv Chuva Externa utilizando pluviógrafo (mm) 4 5 Ponto E Chuva Externa utilizando pluviógrafo (mm) 4 Perda por evaporação E2 = 32,98 +,47P R² =, E3 = 26,52 +,55P R² =, Ponto E2 5 Ponto E Chuva Externa utilizando pluviógrafo (mm) Chuva Externa utilizando pluviógrafo (mm)

26 Chuva interna RESULTADOS E DISCUSSÃO 21 Cálculo do coeficiente de chuva interna livre e a capacidade de armazenamento da copa No ponto da calha foi estimado o p como,63, e a estimativa da S c foi de 1,17 mm

27 Chuva interna Chuva Interna (mm) RESULTADOS E DISCUSSÃO Cálculo do coeficiente de chuva interna livre e a capacidade de armazenamento da copa Período Evento S c (mm) A1-2 A3 A4 B1-2 B3 B4 Z3 Z4 2, 5,5 1,5 16,5 7,9 5,2 5,2 7,5 p,59,72,78,88,68,72 S c (mm) 1,2,9,1 1,7,3 1,8 3, 1,8 p,74,94,76,89,74,8,9,8,7 9, Tf = 1,41P - 1, Tf = 1,85P -, Tf = 1,23P -,4 A estimativa da S c calculado por período ficaram elevados; Ponto A Ponto A Ponto A P FP evento P evento periodo Tf evento F P evento xtf periodo Tf = 1,52P - 1,7 1 5 Ponto B Tf = 1,9P -, Ponto B Tf = 1,69P - 1, Ponto B A média da estimativa de S c por evento ficou próxima do valor estimado no ponto da calha; Não foi possível estimar o coeficiente de chuva interna livre no ponto Z Tf = 1,35P - 1,7 1 5 Ponto Z Tf = 1,73P - 2, Ponto Z Chuva Externa (mm) 15 Tf = 1,36P - 1, Ponto Z

28 Chuva interna Chuva Interna (mm) RESULTADOS E DISCUSSÃO Relação entre chuva interna (Tf) e chuva externa (P) chuva externa Diferença ente chuva interna Ponto A3 Ponto A12 Ponto A4 Ponto Z4 Ponto Z3 Ponto Z12 Ponto B4 Ponto B3 Ponto B Chuva Externa (mm) 23

29 Chuva interna Coeficiente livre de chuva ( p ) RESULTADOS E DISCUSSÃO Relação entre chuva interna (Tf) e coeficiente chuva interna livre (p),6,5,4,3 Ponto A1-2 R² =.8,35,3,25,2 Ponto A3 R² =.2,35,3,25 Ponto A4 R² =.3 Não apresentaram correlação linear,2,15,2,1,2,4,6,8 1 1,2,1,4,6,8 1 1,2 1,4,5 1 1,5,25,4,6,2,15 Ponto B1-2 R² =.4,35,3,25,2 Ponto B3 R² =.6,5,4,3 Ponto B4 R² =.1,1,5 1 1,5 2,5 1 1,5 2,2,5 1 1,5 2,6,8,35,5,4,3 Ponto Z1-2 R² =.8,6,4 Ponto Z3 R² =.11,3,25,2 Ponto Z4 R² =.9,2,2,15,1,4,6,8 1 1,2 1,4,5 1 1,5 2 Tf (%),1,5 1 1,5 2 24

30 Escoamento de tronco Escoamento de Tronco (L) Escoamento de Tronco (L) RESULTADOS E DISCUSSÃO 25 O volume de escoamento de tronco aumenta em relação a DAP e área da copa T. 57 T. 7 T. 5 T. 21 T. 65 T. 69 T. 28 T. 2 T. 59 T. 1 Tronco Área copa (m²)

31 Escoamento de tronco Escoamento de Tronco (mm) Escoamento de Tronco (mm) Escoamento de Tronco (mm) Escoamento de Tronco (mm) RESULTADOS E DISCUSSÃO Estimativa da altura do escoamento de tronco Sf 1 Sf A L copa A A c.total c.totalint MÉTODO I MÉTODO II Sf 2 Sf A L copa A A Int copa T. 5 T. 21 T. 65 T. 69 T. 28 T. 2 T. 59 T. 1 Tronco T. 5 T. 21 T. 65 T. 69 T. 28 T. 2 T. 59 T. 1 Tronco Área da copa Altura do escoamento de tronco T. 57 T. 7 Tronco T. 57 T. 7 Tronco

32 Escoamento de tronco Escoamento de tronco (mm) RESULTADOS E DISCUSSÃO 27 Estimativa da capacidade de armazenamento do tronco Sf =.2P -.8 Utilizando o método II, foi considerado o método mais coerente Chuva externa (mm)

33 Perda por Interceptação Volume total (mm) Intensidade máxima (mm/5min) RESULTADOS E DISCUSSÃO Componentes da interceptação por evento 6 eventos entre os 26/2/214 e 6/1/214; Maior evento (n 35) com P acima de 3 mm; Chuva Externa Chuva Interna Escoamento de Tronco Perda por Interceptação mm % mm % mm % mm % Intensidade máxima de 8 mm/5min (96 mm/h) 35 3 Precipitação Externa Precipitação Interna Escoamento de Tronco Chuva Externa Chuva Interna Escoamento de Tronco Evento Evento 28

34 Perda por Interceptação Interceptação (%) Interceptação (%) RESULTADOS E DISCUSSÃO Variação da perda por interceptação em cada ponto A perda por interceptação variou de 9 a 31%; 4 2 Ponto A Ponto A Ponto A A chuva externa foi de 5.31 mm em 3 anos de monitoramento; Escoamento de tronco foi de 437 mm em 3 anos de monitoramento. 2 Ponto B Ponto B Ponto B Ponto de Perda por Chuva Interna monitoramento Interceptação mm % mm % A A A B B B Z Z Z Ponto Z Ponto Z Chuva Externa (mm) Chuva externa (mm) Ponto Z

35 Análise da distribuição espacial da Tf ICD (%) RESULTADOS E DISCUSSÃO Distribuição do IDC Pontos de Monitoramento 3

36 Análise da distribuição espacial da Tf Chuva Interna (mm) RESULTADOS E DISCUSSÃO Distribuição da chuva interna Pontos de Monitoramento 31

37 Análise da distribuição espacial da Tf ICD (%) ICD (%) RESULTADOS E DISCUSSÃO 32 Relação entre o índice de cobertura e a chuva interna Chuva Interna (mm) Tf/P (%)

38 Análise da distribuição espacial da Tf RESULTADOS E DISCUSSÃO Distribuição dos dados de chuva interna e índice de cobertura A distribuição espacial da Tf é heterogênea; A variação espacial da Tf não está ligada ao índice de abertura do dossel; Pode ser por causa das árvores sobrepostas. 33

39 Modelagem de Interceptação RESULTADOS E DISCUSSÃO Modelo de Rutter Monitorado Modelo de Rutter Modelo de Rutter C I acumulado (mm) fev 1 abr 6 mai 1 jun 14 jul 18 ago 12 set Modelo de Gash I acumulado (mm) Monitorado Modelo de Gash Modelo de Gash C As simulações com os parâmetros calibrados obtiveram os menores erros relativos ; Evento 34

40 Modelagem de Interceptação RESULTADOS E DISCUSSÃO O erro do modelo de Rutter foi de 27% e com os parâmetros calibrados foi de 2%; O erro do modelo de Gash foi de 8% e com os parâmetros calibrados foi de 3%. 45 Monitorado Rutter 4 Rutter C Gash 35 Gash C 3 I acumulado (mm) Parâmetros c S c S t p t є - [mm] [mm] - - Monitorado,37 1,17,8,2,1 Rutter C,65 3,17 1,37,56,18 Gash C,88 3,65 2,87,54,5 26 fev 17 mar 6 abr 26 abr 17 mai 5 jun 25 jun 15 jul 4 ago 24 ago 13 set 3 out Dia 35

41 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

42 Conclusões CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 36 Quantificar a chuva interna, o escoamento de tronco e a perda por interceptação na bacia experimental; O índice de cobertura do dossel variou de 45 a 94%, na análise espacial variou de 68 a 88% e na média nos dois pontos foi de 8%; A chuva interna foi em média variou de 61% a 83% da chuva externa; A capacidade de armazenamento da copa variou de,4 a 2,94 mm com média de 1,3 mm nos pontos de chuva interna, valor próximo ao estimado na calha de 1,17 mm.

43 Conclusões ICD (%) Chuva Interna (mm) CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Verificar a relação entre os componentes da interceptação (chuva interna, cobertura florestal e escoamento de tronco) e as características da chuva; A análise entre chuva externa e chuva interna, ressalta que a dispersão entre os pontos internos aumenta com o aumento da chuva externa; A chuva interna e o índice de cobertura do dossel não apresentaram correlação; A interceptação pela copa está linearmente relacionada com chuva externa Analisar a distribuição espacial da chuva interna e da cobertura florestal; A chuva interna é heterogênea na bacia coberta por Floresta Ombrófila Mista; O escoamento de tronco tem medidas muito heterogêneas; Ponto A3 Ponto A12 Ponto A4 Ponto Z4 Ponto Z3 Ponto Z12 Ponto B4 Ponto B3 Ponto B Tf/P (%) Chuva Externa (mm) 37

44 Conclusões 38 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Modelar o processo de interceptação da bacia utilizando os modelos de Rutter e de Gash. Os modelos de Rutter e de Gash subestimaram a perda por interceptação acumulada; O modelo de Rutter com os parâmetros calibrados foi o que mais se aproximou dos dados monitorados; Entre os dois modelos, a melhor simulação foi com o do modelo de Rutter, com o qual foi obtido o menor valor de erro relativo.

45 Recomendações CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 39 Utilizar equipamentos que façam a estimativa automática do índice de área foliar e de imagens hemisféricas; Realizar estudo mais detalhado para transformar escoamento de tronco de L para mm; Investigar os efeitos da perda por interceptação do chão florestal; Analisar a evapotranspiração dentro e fora da floresta;

46 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA UFSC CENTRO TECNOLÓGICO CTC PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AMBIENTAL - PPGEA MUITO OBRIGADO! MONITORAMENTO E MODELAGEM DO PROCESSO DE INTERCEPTAÇÃO DA CHUVA DE UMA BACIA COBERTA POR FLORESTA OMBRÓFILA MISTA João Henrique Macedo Sá Prof. Dr. Pedro Luiz Borges Chaffe

47 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA UFSC CENTRO TECNOLÓGICO CTC PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AMBIENTAL - PPGEA Monitoramento e Modelagem do processo de interceptação da chuva de uma bacia coberta por Floresta Ombrófila Mista João Henrique Macedo Sá Orientador: Prof. Dr. Pedro Luiz Borges Chaffe Florianópolis, fevereiro de 215