monitoramento e modelagem do processo de interceptação ... · clima: mesotérmico úmido, ......

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – UFSC

CENTRO TECNOLÓGICO – CTC

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AMBIENTAL - PPGEA

Florianópolis, fevereiro de 2015

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

INTRODUÇÃO

ii E

dt

dSI

A perda por intercepção é igual à soma damudança de armazenamento (Si) e a perdapor evaporação (Ei) da superfície molhada:

Processo = Armazenamento + Fluxo

A perda por interceptação varia de 10 a 50%da precipitação.

O processo de interceptaçãoINTRODUÇÃO

O processo de interceptação é a parte da precipitação retida acima da superfície do solo.

01

fcii IIE

dt

dS )SfTf(PIc

fI)SfTf(PI

A estimativa e tratada como um simples balanço hídrico, I sendo o total das perdas porinterceptação, Ic é a perda por interceptação da copa e If perda por interceptação do chão dafloresta.

Giglio, 2013

Estimativa da perda por interceptaçãoINTRODUÇÃO

02

Monitoramento Modelagem

Métodos para estimar a perda por interceptaçãoINTRODUÇÃO

CUSTO PARÂMETROS DE ENTRADA

03

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 (2005) monitorou a chuva interna em FOM;

Giglio (2013) estudou o processo de interceptação em FOM

Porque estudar a interceptação em FOM?INTRODUÇÃO

04

Estudos realizados na bacia ArapongaINTRODUÇÃO

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;

A interceptação pela copa está linearmente relacionada com a chuva externa;

Não teve monitoramento automático.

Giglio, 2013

05

OBJETIVOS

Compreender e estimar os processos de interceptação da chuva em uma bacia

coberta por Floresta Ombrófila Mista através de monitoramento e modelagem.

OBJETIVOS

Objetivo Geral

06

• Quantificar a chuva interna, o escoamento de tronco e a perda por

interceptação na bacia experimental;

• Verificar a relação entre os componentes da interceptação (chuva interna,

cobertura florestal e escoamento de tronco) e as características da chuva;

• Analisar a distribuição espacial da chuva interna e da cobertura florestal;

• Modelar o processo de interceptação da bacia utilizando os modelos de Rutter e

de Gash.

Objetivos EspecíficosOBJETIVOS

QUANTO?

TEM RELAÇÃO?

COMO?

TEM DIFERENÇA?

07

MATERIAIS E MÉTODOS

A área de estudo é a bacia do Rio ArapongaMATERIAIS E

MÉTODOS

5,4 ha;

A bacia é de segunda ordem;

Coberta por Floresta Ombrófila

Mista;

Clima: mesotérmico úmido,

sem estação seca.

08

Estação meteorológica do Rio FeioMATERIAIS E

MÉTODOS

Parâmetros monitorados

Chuva

Temperatura

Umidade

Radiação Incidente e Refletida

Velocidade e Direção do Vento

09

Estimativa da chuva externa

1 pluviógrafo medindo a cada 5

minutos e 4 pluviômetros monitorando

a cada 15 dias


A chuva externa é homogênea ou heterogênea?

10

Estimativa da chuva interna

10 pluviômetros instalados dentroda bacia, com período de leitura de15 dias ;


Calha de 0,2 x 3 m conectada ao pluviógrafomedindo a cada 5 minutos

11

Monitoramento do escoamento de tronco

Coletores do tipo espiral e colar para omonitoramento individual das árvores, comperíodo de monitoramento de 15 dias ;


4 árvores interligadas a umpluviógrafo para o monitoramentoa cada 5 minutos

12

Estimativa do escoamento de tronco

Foram utilizados dois métodos para o cálculo da altura do escoamento de tronco


TotalInt.c

Total.c

copa

L

A

A

A

SfSf1

copa

Int

copa

L

A

A

A

SfSf2

MÉTODO I MÉTODO II

Fator de correção

13

Estimativa da cobertura florestalMATERIAIS E

MÉTODOS

NbNp

NpICD

100

As fotografias foram classificadas em

pixels preto (cobertura) e pixels

brancos (abertura).

14

Análise da distribuição espacial da Tf

Monitoramento da Tf e ICD em uma área circular de 3 metros;


28 Pluviômetros distribuídos uniformemente.

15

Modelos de interceptaçãoMATERIAIS E

MÉTODOS

Existem diversos modelos para estimativa da perda por interceptação

Os dois modelos mais usados são o modelo deRutter (Rutter et al., 1975) e o modelo de Gash(Gash, 1979).

GashAnalítico (evento)

RutterDinâmico (tempo)

16

Trata a árvore como um tanque de armazenamento de água.

MATERIAIS E MÉTODOSModelos de interceptação

RUTTER

Chuva interna

Escoamento de Tronco

17

dtDpcPcTf cd11

dtESdtDpcSf c,tc,tcd

c é a proporção de cobertura florestal; pd de água desviada da copa para o tronco; Dc drenagem de copa por unidade de cobertura;St,c capacidade de armazenamento de tronco por unidade de cobertura;Et,c Taxa de evaporação de tronco por unidade de cobertura.

MATERIAIS E MÉTODOSModelos de interceptação

Separa o processo em 3 fases:

1. Molhagem ou umedecimento;

2. Saturação;

3. Secagem.

GASH

Para P<P’ ou P<P’’ insuficiente para saturar

Para P≥P’ ou P ≥ P’’ suficiente para saturar

18

m

jm PcI1

Copa

n

jdqn 'PPR

EcpI

1

11

Tronco

n

jn 'PPR

E'nPcI

1

1

Copa

tq qSI Tronco

c é a proporção de cobertura florestal; pd de água desviada da copa para o tronco; ɛ é a relação entre taxa de evaporação de tronco e taxa de evaporação de copa;St capacidade de armazenamento do tronco;

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Índice de cobertura do dossel

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

A12 A3 A4 B1-2 B3 B4 Z1-2 Z3 Z4

Pontos de Monitoramento

Índ

ice

de

Co

be

rtu

ra d

o D

osse

l (%

)

Verifica-se a variação do ICD entre os pontos


19

Chuva externa

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

200

250

300

350

400

Ch

uva

Exte

rna

utiliza

nd

o p

luviô

me

tro

(m

m)

Chuva Externa utilizando pluviógrafo (mm)

Pluv = 10,58 + 0,79P

R² = 0,87

Ponto Pluv

Pluv = 10,58 + 0,79P

R² = 0,87

Ponto Pluv

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

200

250

300

350

400

Ch

uva

Exte

rna

utiliza

nd

o p

luviô

me

tro

(m

m)


E1 = 21,43 + 0,60P

R² = 0,71

Ponto E1

E1 = 21,43 + 0,60P

R² = 0,71

Ponto E1

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

200

250

300

350

400

Ch

uva

Exte

rna

utiliza

nd

o p

luviô

me

tro

(m

m)


E2 = 32,98 + 0,47P

R² = 0,57

Ponto E2

E2 = 32,98 + 0,47P

R² = 0,57

Ponto E2

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

200

250

300

350

400

Ch

uva

Exte

rna

utiliza

nd

o p

luviô

me

tro

(m

m)


E3 = 26,52 + 0,55P

R² = 0,77

Ponto E3

E3 = 26,52 + 0,55P

R² = 0,77

Ponto E3

A chuva externaprecipitada sobre abacia é homogênea


Capacidade máximados pluviômetros de256 mm

Perda por evaporação

20

Chuva interna

No ponto da calha foi estimado o p como 0,63, e a estimativa da Sc foi de 1,17 mm

Cálculo do coeficiente de chuva interna livre e a capacidade de armazenamento da copa


21

Chuva interna

0 50 100 1500

50

100

150

Tf = 1,41P - 1,17

Ponto A1-2

0 50 100 1500

50

100

150

Tf = 1,85P - 0,85

Ponto A3

0 50 100 1500

50

100

150

Tf = 1,23P - 0,04

Ponto A4

0 50 100 1500

50

100

150

Chuva I

nte

rna (

mm

)

Tf = 1,52P - 1,70

Ponto B1-2

0 50 100 1500

50

100

150

Tf = 1,09P - 0,32

Ponto B3

0 50 100 1500

50

100

150

Tf = 1,69P - 1,79

Ponto B4

0 50 100 1500

50

100

150

Tf = 1,35P - 1,07

Ponto Z1-2

0 50 100 1500

50

100

150

Chuva Externa (mm)

Tf = 1,73P - 2,94

Ponto Z3

0 50 100 1500

50

100

150

Tf = 1,36P - 1,79

Ponto Z4

Cálculo do coeficiente de chuva interna livre e a capacidade de armazenamento da copa


A1-2 A3 A4 B1-2 B3 B4 Z3 Z4

Período

Sc

(mm)20,0 5,5 10,5 16,5 7,9 5,2 5,2 7,5

p 0,59 0,72 0,78 0,88 0,68 0,720,79

0,8

Evento

Sc

(mm)1,2 0,9 0,1 1,7 0,3 1,8 3,0 1,8

p 0,74 0,94 0,76 0,89 0,74 0,8 0,9 0,8

A estimativa da Sc calculado por período ficaram elevados;

periodo

evento

PP

PF

evento

periodoPevento xTfFTf

evento

A média da estimativa de Sc por evento ficou próxima do valor estimado no ponto da calha;

Não foi possível estimar o coeficiente de chuva interna livre no ponto Z1-2.

22

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

200

250

300

Ch

uv

a In

tern

a (m

m)

Chuva Externa (mm)

Ponto A3

Ponto A12

Ponto A4

Ponto Z4

Ponto Z3

Ponto Z12

Ponto B4

Ponto B3

Ponto B12

Chuva interna

Relação entre chuva interna (Tf) e chuva externa (P)


23

chuva externa

Diferença ente chuva

interna

Chuva interna

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,20,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

R² = 0.08

Ponto A1-2

0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,40,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

R² = 0.02Ponto A3

0 0,5 1 1,5

0,2

0,25

0,3

0,35

R² = 0.03

Ponto A4

0 0,5 1 1,5 20,1

0,15

0,2

0,25

Co

eficie

nte

liv

re d

e c

hu

va

( p )

R² = 0.04Ponto B1-2

0 0,5 1 1,5 2

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

R² = 0.06Ponto B3

0,5 1 1,5 20,2

0,3

0,4

0,5

0,6

R² = 0.0001

Ponto B4

0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,40,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

R² = 0.08

Ponto Z1-2

0 0,5 1 1,5 20

0,2

0,4

0,6

0,8

Tf (%)

R² = 0.11Ponto Z3

0 0,5 1 1,5 20,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

R² = 0.09Ponto Z4

Não apresentaram correlaçãolinear

Relação entre chuva interna (Tf) e coeficiente chuva interna livre (p)


24

Escoamento de tronco

0

2

4

6

8

10

T. 57 T. 07 T. 50 T. 21 T. 65 T. 69 T. 28 T. 02 T. 59 T. 01Tronco

Esc

oam

en

to d

e T

ron

co

(L

)

0 10 20 30 40 50 60 70 800

2

4

6

8

10

12

Esc

oam

ento

de

Tro

nco

(L

)Área copa (m²)

O volume de escoamento de tronco aumenta em relação a DAP e área da copa


25


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

T. 50 T. 21 T. 65 T. 69 T. 28 T. 02 T. 59 T. 01Tronco

Esc

oam

en

to d

e T

ron

co

(m

m)

0

10

20

30

40

50

60

T. 57 T. 07Tronco

Esc

oam

en

to d

e T

ron

co

(m

m)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

T. 50 T. 21 T. 65 T. 69 T. 28 T. 02 T. 59 T. 01Tronco

Esc

oam

en

to d

e T

ron

co

(m

m)

0

5

10

15

20

T. 57 T. 07Tronco

Esc

oam

en

to d

e T

ron

co

(m

m)

MÉTODO I MÉTODO II

Estimativa da altura do escoamento de tronco


TotalInt.c

Total.c

copa

L

A

A

A

SfSf1

copa

Int

copa

L

A

A

A

SfSf2

26

Área da copa

Altura do escoamento

de tronco


0 50 100 150 200 250 300 3500

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Chuva externa (mm)

Sf = 0.02P - 0.08

Esc

oa

me

nto

de

tro

nco

(m

m)

Utilizando o método II, foiconsiderado o método maiscoerente

Estimativa da capacidade de armazenamento do tronco


27

Perda por Interceptação

0 10 20 30 40 50 600

50

100

150

200

250

300

350

Evento

Volu

me t

ota

l (m

m)

Precipitação Externa

Precipitação Interna


0 10 20 30 40 50 600

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Evento

Inte

nsid

ade m

áxim

a (

mm

/5m

in)

Chuva Externa

Chuva Interna


Chuva Externa

Chuva Interna



mm % mm % mm % mm %1.303 100 981 75 19 2 303 23

60 eventos entre os 26/02/2014 e 06/10/2014;

Maior evento (n° 35) com P acima de 300 mm;

Intensidade máxima de 8 mm/5min (96 mm/h)

Componentes da interceptação por evento


28


Ponto de monitoramento

Chuva InternaPerda por

Interceptaçãomm % mm %

A1-2 3.221 61 1.652 31A3 4.237 80 636 12A4 3.831 72 1.042 20

B1-2 3.789 71 1.084 21B3 3.780 71 1.093 21B4 3.784 71 1.089 21

Z1-2 4.388 83 485 9Z3 4.157 78 716 14Z4 3.714 70 1.159 22

Variação da perda por interceptação em cada ponto

A perda por interceptação variou de 9 a 31%;

A chuva externa foi de 5.310 mm em 3 anos demonitoramento;

Escoamento de tronco foi de 437 mm em 3 anosde monitoramento.


29

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Ponto A1-2

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Ponto A3

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Ponto A4

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Inte

rce

pta

çã

o (

%)

Ponto B1-2

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Ponto B3

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Ponto B4

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Ponto Z1-2

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Chuva Externa (mm)

Ponto Z3

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Ponto Z4

Chuva externa (mm)

Inte

rcep

taçã

o (

%)


Distribuição do IDC


68

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

1-2 1-4 1-6 2-1 2-3 2-4 2-5 2-7 3-2 3-4 3-6 4-1 4-2 4-3 4-5 4-6 4-7 5-2 5-4 5-6 6-1 6-3 6-4 6-5 6-7 7-2 7-4 7-6Pontos de Monitoramento

ICD

(%

)

30

0

50

100

150

1-2 1-4 1-6 2-1 2-3 2-4 2-5 2-7 3-2 3-4 3-6 4-1 4-2 4-3 4-5 4-6 4-7 5-2 5-4 5-6 6-1 6-3 6-4 6-5 6-7 7-2 7-4 7-6Pontos de Monitoramento

Ch

uva

In

tern

a (

mm

)


Distribuição da chuva interna


31


0 20 40 60 80 100 120 140 160 18068

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

ICD

(%

)

Tf/P (%)

Relação entre o índice de cobertura e a chuva interna

0 20 40 60 80 100 120 140 160 18068

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

ICD

(%

)

Chuva Interna (mm)


32


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.

Distribuição dos dados de chuva interna e índice de cobertura


33

26 fev 01 abr 06 mai 10 jun 14 jul 18 ago 12 set0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I a

cu

mu

lad

o (

mm

)

Monitorado

Modelo de Rutter

Modelo de RutterC


Modelo de Rutter

Modelo de Gash

0 20 40 60 80 100 1200

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Evento

I a

cu

mu

lad

o (

mm

)

Monitorado

Modelo de Gash

Modelo de GashC

As simulações com os parâmetros calibrados obtiveram os menores erros relativos ;

Modelagem de Interceptação

34

Parâmetrosc Sc St pt є- [mm] [mm] - -

Monitorado 0,37 1,17 0,08 0,20 0,10RutterC 0,65 3,17 1,37 0,56 0,18GashC 0,88 3,65 2,87 0,54 0,05

O erro do modelo de Rutter foi de 27% e com osparâmetros calibrados foi de 2%;

O erro do modelo de Gash foi de 80% e com osparâmetros calibrados foi de 30%.

Modelagem de InterceptaçãoRESULTADOS E

DISCUSSÃO

3526 fev 17 mar 06 abr 26 abr 17 mai 05 jun 25 jun 15 jul 04 ago 24 ago 13 set 3 out0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Dia

I a

cu

mu

lad

o (

mm

)

Monitorado

Rutter

RutterC

Gash

GashC

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

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 80%;

A chuva interna foi em média variou de 61% a 83% da chuva externa;

A capacidade de armazenamento da copa variou de 0,04 a 2,94 mm com média de 1,30 mm nos

pontos de chuva interna, valor próximo ao estimado na calha de 1,17 mm.

Conclusões

Quantificar a chuva interna, o escoamento de tronco e a perda por interceptação na bacia experimental;

36

A análise entre chuva externa e chuva interna, ressalta que a dispersão entre os pontos internosaumenta 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

A chuva interna é heterogênea na bacia coberta por Floresta Ombrófila Mista;

O escoamento de tronco tem medidas muito heterogêneas;

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕESConclusões

Verificar a relação entre os componentes da interceptação (chuva interna, cobertura florestal e escoamento de tronco) e as características da chuva;

0 20 40 60 80 100 120 140 160 18068

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

ICD

(%

)

Tf/P (%)

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

200

250

300

Ch

uv

a I

nte

rna (

mm

)

Chuva Externa (mm)

Ponto A3

Ponto A12

Ponto A4

Ponto Z4

Ponto Z3

Ponto Z12

Ponto B4

Ponto B3

Ponto B12

37

Analisar a distribuição espacial da chuva interna e da cobertura florestal;

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.

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕESConclusões

Modelar o processo de interceptação da bacia utilizando os modelos de Rutter e de Gash.

38

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;

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕESRecomendações

39

MUITO OBRIGADO!

MONITORAMENTO E MODELAGEM DO PROCESSO DE INTERCEPTAÇÃO DA CHUVA DE UMA BACIA COBERTA POR FLORESTA OMBRÓFILA MISTA


Prof. Dr. Pedro Luiz Borges Chaffe







Florianópolis, fevereiro de 2015

Monitoramento e Modelagem do processo de

interceptação da chuva de uma bacia coberta por

Floresta Ombrófila Mista


Orientador: Prof. Dr. Pedro Luiz Borges Chaffe

monitoramento e modelagem do processo de interceptação ... · clima: mesotérmico úmido, ......

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