Portal Agrometeorológico e Hídrológico do Estado de São Paulo

Aspectos gerais

A água é transportada para a atmosfera na forma de vapor. É um processo físico pelo qual o vapor d'água escapa de qualquer superfície de água livre ou superfície úmida a uma temperatura abaixo do ponto de ebulição. Em adição à perda por evaporação do solo, a água é também perdida pela transpiração de superfícies vegetadas (solo + vegetação ou superfície de água + vegetação). Esta perda combinada é conhecida como evapotranspiração.

Este processo de evaporação e/ou transpiração, juntamente com a precipitação é um dos mais importantes componentes do ciclo hidrológico. O vapor d'água é o principal participante nos muitos sucessos de troca de energia que existe na atmosfera. Estas trocas de energia são responsáveis pelos fenômenos do tempo, a qual serve como uma liquidação entre as várias fases do ciclo hidrológico.

Definições de termos e equipamentos

  1. Evaporação Latente (LE): Robertson (1955) apresenta uma definição meteorológica para evaporação que diz: "É a máxima possível evaporação que poderia ser obtida de uma superfície úmida, plana, horizontal e negra, exposta às condições meteorológicas de radiação global, vento, temperatura e pressão de vapor que existe na vizinhança (proximidade) do habitat de uma planta ou animal", sendo que isto depois define o termo que ele chama de vaporação latente. Desta maneira, evaporação latente, é a taxa de evaporação de uma superfície horizontal, úmida e plana, que:
    • Absorve toda a radiação solar e da atmosfera, e irradia como um corpo negro à temperatura do ar;
    • Está totalmente exposta ao vento;
    • Está em contato com a atmosfera, na qual a pressão de vapor não é afetada pela evaporação da água no evaporímetro;
    • Tem a mesma temperatura do ar.
      • Evapotranspiração potencial (ETP): máxima capacidade de água capaz de ser perdida como vapor, em uma dada condição climática, por um meio contínuo de vegetação, que cobre toda a superfície do solo estando este na capacidade de campo ou acima desta. Desta maneira, incluí a evaporação do solo e transpiração de uma vegetação  de uma região específica em um dado intervalo de tempo. Observa-se que a evapotranspiração potencial é função da disponibilidade de energia existente, ou seja da capacidade do sistema em absorver esse vapor ou converter o seu calor armazenado em calor latente.
      • Evaporação (E): conjunto de fenômenos físicos que condicionam a transformação da água na forma líquida ou sólida, de uma superfície úmida ou de água livre, em vapor, a uma temperatura abaixo do ponto de ebulição.
      • Transpiração (T): Perda de água para a atmosfera na forma de vapor através dos estômatos e cutículas das plantas, decorrente das ações físicas e fisiológicas dos vegetais, e dependente da disponibilidade de energia da água disponível no solo e governada pela resistência dos estômatos.
      • Evapotranspiração (ET): é o processo de transporte de água na forma de vapor para a atmosfera, de uma superfície vegetada, através dos mecanismos combinados de transpiração das plantas e evaporação do solo.
      • Evapotranspiração real ou efetiva  (ETR): soma total da transferência de vapor para a atmosfera que é evaporada pela superfície e transpirada pelas plantas nas condições atuais de parâmetros atmosféricos, umidade do solo e condições da cultura.
      • Evapotranspiração Máxima (ETM): é a transferência de água na forma de vapor para a atmosfera, por uma cultura qualquer, em condições de nenhuma restrição de água em qualquer estágio de desenvolvimento, com vistas ao máximo de produção.
      • Evapotranspiração de referência (ETr; ETo): a evapotranspiração para uma dada cultura bem adaptada e selecionada para propósitos comparativos sob dadas condições climáticas e com adequada bordadura e para um regime de irrigação padronizado e apropriado para esta cultura e a região considerada.
      • Equação combinada: - uma equação para estimativa da evapotranspiração que combina as relações de balanço de energia e fluxo de vapor, de modo que os gradientes atmosféricos e temperatura da superfície são eliminados como parâmetros. Pela inclusão de uma resistência da superfície ou da cobertura vegetal, o método pode ser utilizado para estimar a evapotranspiração para várias culturas e diversas condições de água no solo.

Fatores determinantes da evapotranspiração real

A evapotranspiração real é o processo de transferência de vapor onde o solo não está totalmente coberto e nem na capacidade de campo e ocorre nas condições atuais dos parâmetros meteorológicos, assim sendo, além dos fatores meteorológicos que condicionam a evapotranspiração tais como: radiação solar, vento, temperatura do ar, déficit de pressão de vapor, ela é grandemente afetada pelo tipo de cultura, porcentagem de cobertura do solo e disponibilidade de água no solo.

A profundidade da zona radicular e a disponibilidade de água nela depende do volume de solo, explorado pelas raízes e a disponibilidade de água nela depende de:

  • Características do sistema radicular;
  • Tipo de solo;manejo da cultura;
  • Distribuição da umidade do solo na parte inicial do crescimento da cultura.

Balanço hídrico

O conceito de balanço hídrico (Thornthwaite, 1948) avalia o solo como um reservatório fixo, no qual a água armazenada, até o máximo da capacidade de campo, somente será removida pela ação das plantas.

Obviamente é um conceito simples, porém que muito tem ajudado nos processos de zoneamento agroclimático, demanda de água para irrigação e até mesmo classificação climática. Um dos aspectos contraditórios no uso desta metodologia é a confusão que muitos dos usuários fazem entre água armazenada no solo e água disponível. Tal fato com certeza aumenta as contradições sobre os resultados obtidos e a comparação com outras regiões, sob cultivo com diferentes culturas.

Thornthwaite, 1948, teve o grande mérito e a sensibilidade de confrontar de maneira pratica os valores de precipitação e de evapotranspiração, sendo que esta comparação entre os valores de precipitação e evapotranspiração potencial determina em linha base o balanço hídrico.

O balanço hídrico, além da evapotranspiração potencial, possibilita estimar a evapotranspiração real, excedente hídrico, deficiência hídrica e as fases de reposição e retirada de água no solo, cujas definições são as seguintes (Alfonsi, 1995).

Evapotranspiração real: a quantidade de água que nas condições reais se evapora do solo e transpira das plantas.

Deficiência hídrica: diferença entre a evapotranspiração potencial e a real.

Excedente hídrico: diferença entre a precipitação e a evapotranspiração potencial, quando o solo atinge a sua capacidade máxima de retenção de água.

A evapotranspiração potencial é um dos parâmetros apresentados no Boletim publicado duas vezes por semana no site do CIIAGRO. A evapotranspiração potencial é estimada pelo método de Camargo (1983), de modo que:

ETP = T * 0,01 * Qo * N * K

Onde:

T: Temperatura média diária do ar (°C)

Qo: Radiação solar extraterrestre (milímetros equivalentes)

N: Número de dias

K: Fator de ajuste dependente de temperatura média do período

T K
Até 23,5º C 1,00
Entre 23,6º C e 24,5º C 1,05
Entre 24,6º C e 25,5º C 1,10
Entre 25,6º C e 26,5º C 1,15
Entre 26,6º C e 27,5º C 1,20
Maior ou igual a 27,6º C 1,30

As interações entre os parâmetros edáficos meteorológicos e as características das plantas em função da relação ERT/ETP proposta ou da água disponível no solo. São apresentadas tabelas quanto ao limite para o desenvolvimento vegetal, definição dos limites para o manejo do solo e condições para colheita, trânsito de máquinas e aplicação de agroquímicos.

Neste caso, com base nos valores médios de temperatura do ar ou do total de precipitação pluviométrica, em um dado período, é contabilizada a água disponível no solo para 4 profundidades de sistema radicular: 25, 50, 75 e 100 cm, de modo que um maior amplitude de características de culturas ou solo. Ou seja, permitindo avaliar as condições para culturas como feijoeiro, hortaliças a até citros, cana-de-açúcar, assim como solos bem arenosos a solos com alta capacidade de retenção de água.

Definições:

DISP: água disponível no solo

DAAS: disponilidade atual água no solo

DISPMAX: disponibilidade máxima de água no solo

DAAS = DISPANT + P - ETP

DAAS £ DISPMAX (se no cálculo DAAS > DISPMAX: DISPMAX)

Este valor de DAAS é armazenado na memória, sendo o DISPAN para o próximo período.

  • Os períodos são seqüenciais
  • Calcular sempre a cada 3 ou 4 dias
  • DAAS, DISPMAX, DISPANT são características de cada localidade/local

Importante

Tanto o monitoramento agrometerológico como no balanço hídrico, usar um período mínimo de 3 dias. Em especial no balanço hídrico cálculos diários errados e induzem a conclusões errôneas.

a necessidade de irrigação é quanto de água deveria ser reposto no solo para que o mesmo volte à capacidade de campo. O limite crítico considerado é 60% de DISPMAX, de modo que:

Decisão Água disponível no solo (A)
Sim A <= 60% do limite máximo
Não A > 60% do limite máximo

Neste caso são apresentadas regularmente as condições médias de temperatura do ar e precipitação pluviométrica do Estado. As analises são feitas a cada 3 ou 4 dias de modo a completar uma semana de estudo.

Grande parte dos índices de seca, ou estiagem agrícola consideram, ou somente a chuva, ou em alguns casos a interação entre água disponível no solo como passivas.

Desta maneira, procuramos introduzir o Índice de Estresse Hídrico da Cultura ou o Crop Water Stress Index(CWSI).

O índice de estresse hídrico da cultura (CWS) e baseado na relação entre a evapotranspiração real e a potencial e a água disponível no solo.

Neste caso, são valores estimados para culturas generalizadas, nos quais o coeficiente de cultura Kc não é empregado. Porém analises são feitas envolvendo culturas por grupos definidos por Z1, Z2, Z3, Z4 e:

  • Z1 (25 cm) = batata, cebola, alho, arroz, hortaliças, feijoeiro
  • Z2 (50 cm) = feijoeiro, amendoim, milho, sorgo
  • Z3 (75 cm) = soja, citrus, cafeeiro, cana-de-açúcar, algodão
  • Z4 (100 cm) = cafeeiro, citrus, cana-de-açúcar

Esta diversidade de profundidades procura diferenciar as culturas, assim como as diferentes capacidades de retenção de água no solo, que podem ser refletidas por um maior ou menor volume de exploração das raízes.

O conceito de estresse hídrico, baseado na relação ETR.ETP foi desenvolvido em função dos trabalhos de Mota, 1979; Moscoro Segóvia (1982); Brunini (1992); Brown (1978); Baier (1977); Denmead & Shaw (1968); Brunini (1981, 1987); Camargo & Hubbard (1990), na qual a penalização para produtividade ou desenvolvimento é baseado na somatória e produtório de (ETR/ETP) no período.

Como neste caso, analisamos só a resposta da cultura o valor de (ETR/ETP) médio no período indica esta situação. Esta variável fica definido como Z, ou seja Z = ETR/ETP.

Temos assim, uma combinação de Z, para cada valor de DAAS, ou seja:

e o índice de estresse hídrico da cultura (crop water stress) (CWS) definido por:

a) no período de análise

CWS = 1 - Z

Assim sendo:

CWS = 0

DAAS = DISPMAX

CWS = 1

Z= 0

DAAS = 0

Esta é uma tabela de 2 entradas, pois precisamos:

i) % Água Disponível

ii) Valor de ETP no período (média)

Condições de estresse hídrico Condições de desenvolvimento vegetal
0 = CWS < 0,1 Ótimas
0,1 £ CWS £ 0,2 Favoráveis
0,2 £ CWS < 0,4 Adequadas
0,1 £ CWS < 0,6 Razoáveis
0,6 £ CWS < 0,8 Desfavoráveis
0,8 £ CWS £ 1,0 Críticas

b) Desde uma data pré referenciada, ou seja desde o início do mês ou da data mais próxima exigida, até a data final:

Estresse hídrico acumulativo relativo Condições para desenvolvimento vegetal acumulativa
0,8 £ ACWS £ 1 Críticas
0,6 £ ACWS < 0,8 Desfavoráveis
0,4 £ AWS < 0,6 Razoáveis
0,2 £ ACWS < 0,4 Adequadas
0,1 £ ACWS < 0,2 Favoráveis
ACWS < 0,1 Ótimas

Por outro lado se quisermos saber como o CWS, ou o estresse hídrico varia em torno das condições razoáveis ou adequadas para a cultura teremos, o índice de estresse hídrico normalizado (normalized crop water stress index) determinado como: de modo que teremos

WSIN Condições hídricas para cultura (Índice hídrico)
CWSIN = 1 Ótimas
0,75 £ CWSIN < 1,0 Favoráveis
0,25 £ CWSIN < 0,75 Adequadas
0,0 £ CWSIN < 0,25 Razoáveis
-0,5 £ CWSIN < 0,0 Desfavoráveis
-1,0 £ CWSIN £ -0,5 Inadequadas
CWSIN £ -1,0 Críticas

Procura-se quantificar e qualificar as condições de água no solo que são favoráveis ou desfavoráveis ao desenvolvimento vegetal.

Neste caso, o fator hídrico de desenvolvimento da cultura C (WDF) é função da razão entre disponibilidade atual de água no solo (DAAS) e a disponibilidade máxima (DISPMAX).

0 £ CWDF £ 1

DAAS = 0 à CWDF = 0

DAAS = DISPMAX à CWDF = 1

Com base nos aspectos agronômicos, pedológicos e agrometeorológicos, a seguinte relação é estabelecida:

Fatora de umidade Condições para desenvolvimento vegetal
0,8 £ CWDF £ 1 Ótimo
0,6 £ CWDF < 0,8 Favorável
0,4 £ CWDF < 0,6 Razoável
0,3 £ CWDF < 0,4 Desfavorável
0,2 £ CWDF < 0,3 Prejudicial
0,1 £ CWDF < 0,2 Severas
0,0 £ CWDF < 0,1 Crítica

Considerando-se o CWDF, pode-se estabelecer o Índice Hídrico de Desenvolvimento Vegetal (CWDI) ou seja o Crop Water Development Index.

Sendo: Por que o -1? Para termos uma normalização de índices e trabalharmos com grandezas como: SPI, CMI ou PDSI. Além disto, o máximo de CWDF = 1 (DAAS = DISMAX).

Desta maneira, temos:

Índice de desenvolvimento (CWDI) Condições de desenvolvimento vegetal
1,0 £ CWDI £ 1.5 Ótimas
0,5 £ CWDI < 1,0 Favoráveis
0,0 £ CWDI < 0,5 Razoáveis
-0,25 £ CWDI < 0,0 Desfavoráveis
-0,5 £ CWDI < -0,25 Prejudiciais
-0,75 £ CWDI < -0,5 Severas
CWDI < -0,75 Críticas

Os parâmetros e índices anteriores analisam a situação da cultura, porém não permitem acompanhar o efeito acumulativo do deficite hídrico sobre a cultura. Assim sendo introduzimos o "Índice Hídrico Acumulativo de Desenvolvimento Hídrico da Cultura", ou "Accumulated Crop Water Development Index" (ACWDI), sendo este função de, ou permite avaliar as condições hídricas considerando-se:

  1. Período máximo de análise (n);
  2. Tipo de solo e cultura;
  3. Época de plantio e fase fenológica.

De modo que:

Visto que o máximo de CWDI é 1,5.

ACWDI, máximo: 1 e mínimo: 0.

E isto leva as seguintes faixas acumulativas de índice hídrico.

Índice hídrico de desenvolvimento acumulado (ACWDI) Condições de desenvolvimento da cultura
0,8 £ ACWDI £ 1 Muito Boas
0,6 £ ACWDI < 0,8 Boas
0,4 £ ACWDI < 0,6 Razoáveis
0,3 £ ACWDI < 0,4 Desfavoráveis
0,2 £ ACWDI < 0,3 Prejudiciais
0,1 £ ACWDI < 0,2 Severo
0,1 Extremamente Severo

Definições de seca

Segundo o dicionário Aurélio, seca é a falta de chuva ou o período em que a ausência dessas acarreta graves problemas sociais. Palmer, 1965, considera a seca como o intervalo de tempo, geralmente da ordem de meses ou até mesmo anos, durante o qual a precipitação cai “consideravelmente” em relação ao climatologicamente esperado ou apropriado.

Segundo McKee et al 1995, não existe nenhuma definição válida para qualquer região, em qualquer época e ainda adequada a toda e qualquer atividade. Sansigolo (2004) citando Dracup et al.(1980), e Olapido (1985) exemplifica quatro definições de seca baseadas em considerações meteorológicas, hidrológicas, agrícolas, e econômicas: seca meteorológica, refere-se a precipitação abaixo das normais esperadas; secas hidrológicas e agrícolas, referem-se respectivamente, a níveis de rios e reservatórios abaixo do normal e a umidade do solo insuficiente para suprir a demanda das plantas; e a seca econômica, a qual ocorre quando o déficit de água induz a falta de bens ou serviços (energia elétrica, alimentos e etc.) devido ao volume inadequado, a má distribuição das chuvas, ao aumento no consumo, ou ainda ao mau gerenciamento dos recursos hídricos.

Comum a todos os tipos de seca é o fato delas se originarem de um déficit de precipitação que resulta em uma baixa disponibilidade hídrica, para a atividade que a requer (WILHITE et al., 1987).

Índice de Palmer (PDSI)

Um dos índices mais utilizados e mundialmente reconhecidos para quantificação da seca é o Índice de Severidade de Seca de Palmer. PALMER (1965) considera que o total de precipitação requerida para manter uma área em um determinado período sob condições de economia estável é dependente  da média dos elementos meteorológicos, das condições meteorológicas dos meses precedentes e do mês atual para a área em questão.

O método para a estimativa da precipitação requerida (CAFEC) basea-se nas médias históricas de evapotranspiração, recarga de água no solo , runoff  e perde de umidade do solo. A diferença entre a precipitação ocorrida e a requerida (Pc) representa uma medida razoavelmente direta da diferença hídrica entre o mês em questão e a normal climatológica. Quando essa diferença é apropriadamente ponderada (K), o valor resultante (Z) pode ser comparado para diferentes locais e épocas.

Pc = aETPi + bPRi + gPROi + dPLi

Sendo: a = ETR/ETP; b= R/PR; g= RO/PRO e d = L/PL

As Constantes de padronização K Também são mensalmente definidas, num período de calibração por:

Ki ‘ = 1,5 log10½(T+ 2,8)/D½+0,5

T= (ETP + R + RO)/(P + L)

e

D = ½Pi-Pc½

Com isso tem-se:

Z = (Pi-Pc)K

Sucessivos índices Z negativos foram combinados a fim de produzir a equação final do PDSI: 

PDSIi = 0.897PDSI i-1 + (Zi /3)

Palmer (1965)  considerou ainda 11 categorias de classificação de eventos baseadas no resultado da equação acima descrita:

PDSI Categoria
> 4,00 Extremamente Úmido
3,00 a 3,99 Muito Úmido
2,00 a 2,99 Moderadamente Úmido
1,00 a 1,99  Ligeiramente Úmido
0,50 a 0,99 Úmido Incipiente
0,49 a -0,49 Próximo ao Normal
-0,50 a -0,99 Seca Incipiente
-1,00 a -1,99 Ligeiramente Seco
-2,00 a-2,99 Moderadamente Seco
-3,00 a -3,99 Muito Seco
£ - 4,00 Extremamente Seco

Standardized Precipitation Index (SPI)

McKee et al. (1993) desenvolveu um índice que quantifica o défict ou o excesso de precipitação para diferentes escalas de tempo. Esta versatilidade permite ao Standardized Precipitation Index (SPI) monitorar o fornecimento de água em pequenas escalas (mensal por exemplo), voltando-se mais ao interesse agrícola assim como monitorar tal fornecimento em longas escalas de tempo (bi-anual por exemplo) voltando-se mais ao interesse hidrológico.

O SPI é baseado em um banco histórico de dados de chuva (30 anos no mínimo) sendo ajustado através da distribuição gama a qual é então transformada em uma distribuição normal, a qual, pela definição tem o valor zero para sua média e variância unitária.

O evento seca ocorre quando o valor do SPI é igual ou menor a -1 e tem seu fim quando o índice torna-se positivo. Dentro de sua escalas os valores menores ou iguais a -2 indicam seca extrema e os maiores ou iguais a 2 umidade extrema.

SPI Categoria
2,OO Extremamente Úmido
1,5 a 1,99 Muito Úmido>
1,00 a 1,49 Moderadamente Úmido
0,99 a -0,99 Próximo ao Normal
-1,00 a-1,49 Moderadamente Seco
-1,50 a -1,99 Muito Seco
£ - 2,00 Extremamente Seco

Crop Moisture Index (CMI)

PALMER (1968), desenvolveu o Índice de Umidade de Cultura (CMI) para monitorar semanalmente as condições das plantações em escala climatológica, sendo esse baseado na temperatura média e no total de  precipitação para a se- mana em questão.

Segundo o autor em termos simples a seca agrícola é o "déficit de evapotranspiração". Porém se for usada a evapotranspiração potencial como estimativa da máxima umidade requerida pelas plantas, áreas subúmidas e semi-áridas terão defict de evapotranspiração supestimados durante o verão. Com isso é sugerido por Palmer (1968), que se use a anomalia da evapotranspiração real, isto é, "uma estimativa do total que a evapotranspiração real decaiu em relação a evapotranspiração real esperada para aquela semana".

Valores negativos do CMI significam que a evapotranspiração ocorrida foi deficiente e valores positivos significam que a evapotranspiração real e/ou a precipitação excedeu a climatologicamente esperado para aquela semana.

Drought Index (DI)

A Evapotranspiração Potencial pode ser, de maneira simplista, entendida como a máxima emergia disponível, em uma superfície extensa e vegetada, para o fenômeno da evapotranspiração.

A Evapotranspiração real pode ser, de maneira simplista, entendida como a água realmente utilizada pela superfície vegetada em questão. Logo se a magnitude da ETP for igual a da ETR pode-se concluir que não houve falta d’água no período.

O DI considera essa premissa por meio da equação:

DI = (1-ETR/ETP)*100

Quanto menor for a razão entre ETR/ETP, maior déficit  hídrico, maior será o valor do DI.