representação do ciclo hidrológico sobre superfícies urbanas1

representação do ciclo hidrológico sobre superfícies urbanas1

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Raimundo Mainar de Medeiros Humberto Mendes Feitosa

TERESINA-PIAUÍ 2005

Raimundo Mainar de Medeiros Humberto Mendes Feitosa

Monografia apresentada ao curso de Pós-Graduação em Gestão de Recursos Hídricos e Ciências Ambientais, como requisito parcial para obtenção do grau de especialista, sob orientação do Professor José Medeiros de Noronha Pessoa.

TERESINA-Piauí 2005

Teresina, de julho de 2005

A DEUS, o Grande Arquiteto do Universo, pois sem ele não existiríamos.

Às nossas esposas e filhos pela compreensão, paciência e colaboração nas horas de maiores aperreios no desenvolvimento deste trabalho.

Ao Dr. Pesquisador do Departamento de Ciências Atmosférica (IAG-USP) do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas HUGO ABI KARAM, pelo Software Licence Agreement end user lincer agreemente.

À Secretaria de Meio Ambiente e RReccuurrssooss Naturais –– SEMAR,, ppelloo Curso oofferrecciiddoo

Ao Instituto de Assistência Técnica e Extensão Rural do Estado do Piauí – EMATERPI, pela oportunidade de participar do curso.

A todos que direta e//ou iinndiretammenntte colaboraram com esstte trabalho..

Este trabalho apresenta uma metodologia para inclusão e prognóstico da evolução temporal de um reservatório de água sobre telhados e vias de um cânion urbano. Um programa numérico foi desenvolvido para ser integrado a um modelo da Camada Limite Urbano tropical em desenvolvimento no IAG-USP e também a modelos de mesoescala de previsão de chuva e tempo, aperfeiçoado e adaptado para o município de Teresina – Piauí, conforme licenciamento e liberação dos referidos programas cedidos por Dr. Hugo Karam. O modelo de superfície urbana é inspirado no modelo de latitudes médias Town Energy Budget (TEB), mas escrito independentemente. A particularidade do novo esquema está endereçada à representação do Sistema de Clima Urbano Tropical, mais chuvoso, úmido, quente, semi-árido e, potencialmente instável do que àquele que ocorre nas cidades de latitudes médias. Neste trabalho, detalham-se as equações que descrevem o reservatório de água sobre superfícies quase impermeáveis dos cânions urbanos. Primeiros resultados indicam:

(1) a evolução temporal do reservatório de água associada aos eventos de precipitação é simulada de forma consistente;

(2) evaporação potencial ocorrida durante e após eventos de precipitação;

(3) a área relativa do reservatório de água superficial é utilizada para ponderar a fração de área onde ocorre evaporação potencial; e (4) a área do reservatório de água superficial aumenta mais rapidamente no início das chuvas do período chuvoso, visto que após a limpeza dos telhados a intensidade das chuvas são de maior significância devido ao acúmulo de calor e sua troca, provocando chuvas moderadas a fortes.

This work presents a methodology for inclusion and prognostic of the secular evolution of an urban water reservoir on roofs and ways of one c⮩on. A numerical program was developed to be integrated to a model of the tropical Urban Boundary layer in development in the IAG-USP and also the models of mesoescala of rain forecast and time, perfected and adapted for the city of Teresina – Piauí as licenciamanto and release of the related programs yielded for DR. Hugo Karam. The model of urban surface is inspired in the model of average latitudes Town Energy Budget (TEB), but written independently. The particularity of the new project is addressed to the representation of the System of Tropical, rainier, humid, hot, half-barren and potentially unstable Climate Urban of that that one that occurs in the cities of average latitudes. In this work the equations are detailed that describe the water reservoir on urban almost impermeable surfaces of cons. First results indicate: (1) the secular evolution of the reservoir of water associated with the precipitation events is simulated of consistent form; (2) occurred potential evaporation during and after precipitation events; (3) the relative area of the superficial water reservoir is used to ponder the area fraction where potential evaporation occurs; e (4) the area of the superficial water reservoir increases more quickly in the beginning of rains of the rainy period, since after the cleanness of the roofs the intensity of bigger rains is of significance due to it accumulates of heat and its exchange provoking moderate rains the forts.

1 – Introdução07 -10
2 – Revisão Literária1 -15
3 – Metodologia16 – 19
4 – Resultado e Discussão20 – 2
5 – Conclusão23

Raimundo Mainar de Medeiros

E-mail: mainarmedeiros@hotmail.com Humberto Mendes Feitosa

Este trabalho apresenta uma metodologia para inclusão e prognóstico da evolução temporal de um reservatório de água sobre telhados e vias de um cânion urbano. foi desenvolvido um programa numérico para ser integrado a um modelo da Camada Limite Urbana tropical em desenvolvimento no IAG-USP, juntamente a modelos de mesoescala de previsão de chuva e tempo, aperfeiçoado e adaptado para o município de Teresina – Piauí, conforme licenciamanto e liberação dos referidos programas cedidos por Dr. Hugo Karam. Esse modelo é inspirado no modelo de latitudes médias Town Energy Budget (TEB), mas escrito independentemente. A particularidade do novo esquema está endereçada à representação do Sistema de Clima Urbano Tropical, mais chuvoso, úmido, quente, semi-árido e, potencialmente instável do que àquele que ocorre nas cidades de latitudes médias. Neste trabalho, detalham-se as equações que descrevem o reservatório de água sobre superfícies quase impermeáveis dos cânions urbanos. Primeiros resultados indicam:(1) a evolução temporal do reservatório de água associada aos eventos de precipitação é simulada de forma consistente; (2) evaporação potencial ocorrida durante e após eventos de precipitação; (3) a área relativa do reservatório de água superficial é utilizada para ponderar a fração de área onde ocorre evaporação potencial; e (4) a área do reservatório de água superficial aumenta mais rapidamente no início das chuvas do período chuvoso, visto que após a limpeza dos telhados a intensidade das chuvas são de maior significância devido ao acúmulo de calor e sua troca, provocando chuvas moderadas a fortes. PALAVRA CHAVE: Ciclo Hidrológico, modelo de simulação numérica INTRODUÇÃO

O cuidado com a água deve ser uma preocupação não mais exclusiva dos que vivem em regiões consideradas áridas ou semi-áridas, mas de todo o planeta. Os dados da Organização das Nações Unidas (ONU) alertam que as águas da Terra estão em processo acelerado de degradação, onde o maior problema não é o da escassez de água, mas o da falta de gerenciamento adequado dos recursos hídricos.

A água cada vez mais está ficando escassa e de difícil armazenamento, visto que as represas, açudes, lagos, lagoas, córregos, riachos e rios estão, cada vez mais, sendo poluídos por resíduos sólidos e líquidos de esgotos hospitalares, industriais e domésticos, além dos lençóis freáticos estarem sofrendo redução na sua quantidade e qualidade, devido ao uso demasiado e sem controle de perfuração de poços. Por outro lado, o nível das águas das represas está sendo reduzido pela evaporação e pelo assoreamento de suas bacias hidráulicas, onde se perde uma lâmina de água anual de cerca de 2,5 metros/ano. A utilização eficiente da água é cada vez mais importante face à escassez de recursos hídricos e do alto custo de energia, sendo essencial a utilização de uma metodologia apropriada para a administração da irrigação, consumo humano, serviços de limpeza e jardinagem e no armazenamento da água potável para a dessedentação dos seres humanos, animais e vegetais e da preservação dos recursos naturais e ambientais. Segundo DUARTE e BRASA (1999), a água na nossa região é muito preciosa. Precisamos aproveitar até a água que vem das chuvas. A utilização de represamento de água de chuva por cisternas muito vem contribuindo para minimizar os efeitos nefastos da carência do precioso líquido na vida do homem do campo (BERNAT, et all). O Sistema de Captação de Água de Chuva permite usar a área de cobertura (telhado ou laje) da casa para captar a água da chuva e, após passar por um filtro ou mecanismo de retenção de impurezas, conduzirem-la a um reservatório onde será armazenada e utilizada na residência, condomínio e edifício público para fins não potáveis. O uso do sistema de captação de água de chuva é uma alternativa sustentável para armazenar e reaproveitar as águas das precipitações pluviométricas em residências particulares, edifícios, instalações comerciais, condomínios, indústrias, chácaras, sítios, fazendas, casas de praia e edificações em geral. Seu uso tem funções diversas, como: descarga de vasos sanitários, lavagem de pisos, quintais, automóveis, irrigação de hortas, jardins e controle de incêndios. A irrigação é uma técnica utilizada na agricultura que possibilita a obtenção de elevada produtividades, a melhoria da qualidade dos produtos e a garantia de disponibilidade de água nas estiagens e período de veranicos prolongados. No entanto, para se obter o máximo rendimento dessa técnica é necessário um conhecimento adequado dos fatores meteorológicos e hidrológicos e suas variações, os quais influenciam o tempo, o clima, a cultura e o solo. Modelos numéricos da Camada Limite Urbana (CLU) são importantes ferramentas que, integradas aos modelos de previsão hidrometeorológica, podem melhorar as ferramentas de previsão dos eventos de precipitação mais críticos sobre áreas metropolitanas, como a Região

- estudar os efeitos do acúmulo de água líquida na superfície sobre a termodinâmica do cânion

Metropolitana de Teresina – Piauí. Em geral, dentro dos modelos da Camada Limite Urbana encontra-se um subprograma para simular a evolução do uso temporal do reservatório de água líquida superficial, constituído por precipitação pluvial (chuva). Este trabalho tem como objetivo apresentar uma metodologia capaz de simular a evolução do uso temporal de reservatório de água líquida coleta em superfícies urbanas horizontais e impermeáveis, como telhados e as ruas de um cânion urbano. A estrutura do cânion urbano (Oke,1985) tem sido aplicada a diferentes modelos de superfície urbana, como por exemplo, no modelo Town Energy Bugdget (TEB) (Masson, 2000). No modelo Town Energy Bugdget , o reservatório de água é utilizado para resolver a parte do ciclo hidrológico, correspondente às condições de fronteira do cânion urbano e para estimar valores realísticos de fluxos de calor latente da superfície urbana. As equações de um modelo local da evolução de uso temporal de um reservatório de água líquida sobre superfícies horizontais e impermeáveis características de um cânion urbano são detalhadas. O objetivo de médio prazo é caracterizar a evolução dos reservatórios de água das superfícies urbanas das grandes cidades brasileiras sob o regime dos climas tropical e subtropical. A metodologia proposta pode ser integrada a modelos do tipo TEB e também a modelos de previsão de mesoescala e de tempo, para: urbano; - avaliar o efeito do corpo de água na superfície sobre a dinâmica da Ilha de Calor Urbana;

- investigar os efeitos do reservatório de água líquida sobre as circulações de mesoescala na área para entender seu impacto sobre as circulações topográficas locais e regionais, - avaliar o papel da evolução do uso temporal do reservatório de água líquida sobre a previsão do tempo em mesoescala e escala local. - Redução de uso das águas tratadas dos sistemas de distribuições regionais ou municipais

- Distribuições das águas coletadas para serviços de limpezas de banheiros, hortas e jardinagens;

- Limpeza de calçadas e áreas de passeios das repartições públicas;

- Redução do gasto de consumo público de água sobre lavagem e limpeza de veículos;

- As perdas por evaporação são bem menores quando em relação às barragens, lagos, lagoas,

-Contribuição no represamento das águas para consumo humano e animal em épocas de racionamento e/ou manutenção dos serviços de distribuições de água potáveis; córregos, rios. - Resfriar equipamentos e máquinas;

- Para irrigação ao ar livre ou estufas; - Reservatório contra incêndio, etc. METODOLOGIA

As equações expressas para o modelo de conservação da quantidade de água líquida no reservatório de uma superfície urbana podem serem escritas como:

(t) Wdew = f P – (Ef – Etr)(1)
(t) Wcanal = ( 1 – f ) P,(2)

Onde temos na primeira equação:

- Wdew é a massa de água líquida por unidade de área (kg/m2 ) interceptada pela superfície impermeável e acumulada no reservatório superficial;

- f é a fração da área superficial impermeável onde não ocorre acumulação e a água recolhida é enviada pelos dutos diretamente para o canal;

- P é a taxa de precipitação de massa de água líquida (kg/m2s1 ). Neste caso, a precipitação natural é constituída por chuva, chuvisco.

- A segunda equação mostra que a quantidade de água precipitada é partida entre o runoff e a interceptação dos reservatórios sobre as superfícies urbanas;

- Wcanal é a massa de água líquida por unidade de área (kg/m2 ) interceptada pela superfície impermeável e encaminhada por dutos (calhas), diretamente para os canais de escoamento da água urbana (como rios, lagos, lagoas, reservatórios). Wcanal constitui parte do runoff;

- Ef é a razão de evaporação por unidade de área superficial (kg/m2 s1 ) dada por

Ef = (Ef)pot r”,(3)

onde na equação terceira temos:

- (Ef)pot é a razão de evaporação máxima possível da superfície (i.e., potencial) obtida da equação para a combinação de Penman

- e r” representa a fração da evaporação potencial, dada por

r” = 1 – c ( 1 –  )  rs ( rs + ra )(4)

onde:

- c é uma função passo que é zero (0) se está ocorrendo condensação sobre a superfície [se qa > qsat(Tsfc)] e é unidade (1) nos outros casos; rs é a resistência superficial e ra é a “resistência atmosférica”; é a fração da área da superfície coberta por água líquida.

- Pela “equação de r” quando o reservatório superficial alcança seu limite máximo, Wdew = Wdmax resulta que r”=1 e neste caso, a taxa de evaporação superficial é potencial, Ef = (Ef)pot. A quantidade dentro do segundo parênteses (1– ) representa a fração da área superficial não coberta por água líquida. Essa equação é similar à equação proposta originalmente por Deardorff para a evolução do orvalho sobre folhas de vegetação (Deardorff, 1978). Assim, a fração da área da superfície coberta por água líquida ( ) é dada por

(5)

= Wdew / Wd máx 2 3 - De acordo com Deardorff (1978), “a razão de especificar a dependência de expoente fracionário sobre Wdew/Wdmáx é permitir que o reservatório de água líquida evapore mais rapidamente que faria para uma razão de decréscimo exponencial;

- Para um expoente unitário a água acumulada por precipitação nunca desaparecia por completo, enquanto para expoente nulo ela poderia evaporar muito rapidamente, implicando que a lâmina de água estaria presente em uma camada de filme fino estendido sobre toda a superfície conforme a evaporação ocorre.

- As formulações adotadas por Deardorff, com seu expoente 2/3, são um compromisso entre as duas posições extremas (nunca evaporar totalmente ou o filme fino de água) e simular a ocupação de água líquida somente sobre uma fração da área superficial disponível durante sua evaporação e sobre a área inteira durante sua formação”. Portanto, precipitação atinge toda a superfície, enquanto a evaporação ocorre sobre uma fração da área superficial limitada por .

- Etr é a razão de evaporação por unidade de área superficial (kg/m2 s1 ) que é escrita como

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