FAO/UNESCO Balanço Hídrico da África

Exercício 3: Balanço Hídrico na África Ocidental

Preparado por:David R. Maidment e Seann M. Reed

Traduzido por: Nabil J. Eid


Center for Research in Water Resources
University of Texas at Austin
Novembro 1996

Objetivos do Exercício

Procedimentos

  1. Familiarizando-se com os Dados de Entrada
  2. Rodando um Script Avenue para Calcular a Evapotranspiração Potencial
  3. Rodando um Script Avenue para Calcular o Balanço Hídrico
  4. Visualizando os Resultados

Dados Necessários:

O exercício requer um projeto, temas, scripts, tabelas e arquivos de texto que estão relacionados com o projeto. Estes arquivos estão localizados em \gisfiles\ex3af. Os arquivos necessários são:

Projeto:sbudget.apr

Para carregar este projeto inicie Arcview e selecione no menu a opção File / Open Project . Um script de inicialização carrega automaticamente os seguintes arquivos para o projeto:

Temas:
morbord.shp: plano de informação poligonal com a fronteira do Marrocos
morclim.shp: plano de informação poligonal com malha de 0.5 graus terrestre que contém os atributos médios mensais da temperatura, precipitação, radiação líquida incidente e capacidade de retenção de água do solo. Esses planos de informação são visualizados no Projeto como "Precip", "Temp", "Water Holding Cap.", e "Net Rad".
comcells.shp: plano de informação poligonal com malha de 0.5 graus terrestre da África Ocidental, onde os cálculos do balanço hídrico serão efetuados.

marcity.shp: plano de informação pontual contendo as cidades do Marrocos para fins de localização espacial.

Tabelas:
prec_tr.txt : tabela da precipitação média anual
pevall.txt : tabela da evapotranspiração potencial

Scripts:
balance.ave : calcula o balanço hídrico
pevap.ave : calcula a evapotranspiração potencial
autoplot.ave : efetua gráficos de barra dos dados mensais e dos resultados calculados

Pela Internet os arquivos podem ser obtidos em:

Instruções para utilizar o anonymous ftp.

1. Familiarizando-se com os Dados de Entrada

Os dados de entrada para o modelo do balanço hídrico são a precipitação, a evapotranspiração potencial e a capacidade de retenção de água do solo. Neste exercício a evapotranspiração potencial é calculada empregando-se o método de Priestley-Taylor e, em consequência, necessita-se dos dados de temperatura e radiação líquida. Esta parte do exercício objetiva sua familiarização com os dados de entrada sobre o clima, solo e radiação líquida.

Dados Climáticos

Estimativas das temperaturas médias mensais e dos totais mensais precipitados, interpoladas numa malha de 0.5 por 0.5 graus terrestre, foram determinadas por Cort Willmott na Universidade de Delaware. Estes dados provém do "Global Air Temperature and Precipitation Data Archive" compilado por D. Legates e C. Willmott. As estimativas da precipitação mensal utilizadas por esse estudo foram corrigidas visando a eliminação de distorções. Dados de 24635 estações terrestres e 2223 interseções na malha oceânica foram utilizados para estimar o campo de precipitação global. A climatologia é amplamente representativa do período 1920-1980, com maior ênfase para o período recente (maior confiabilidade ). (Legates and Willmott, 1990)

A região de dados utilizada está centrada no Marrocos e se extende aproximadamente desde (14W, 26N) até (1E, 37N), incluindo tanto o oceano como o continente. Foram incluídos dados do oceano com o objetivo de ilustrar as diferenças climáticas entre o oceano e o continente. Este exercício é executado numa porção restrita do continente, limitada à malha que representa a capacidade de retenção de água do solo.

A aquisição dos dados da Universidade de Delaware foi efetuada por meio de ftp de arquivos de texto formatado. Linguagens FORTRAN e AML foram utilizadas para gerar planos de informação poligonal destes dados. Ainda, removeu-se a relação topológica entre os polígonos para facilitar sua transferência por ftp (transferência de arquivos do tipo shapefile ou .shp). Os dados climáticos médios mensais e anuais são atributos do plano de informação morclim.shp. Aqueles denominados Temp e Precip estão vinculados ao arquivo morclim.shp.

Para visualizar os dados climáticos no projeto sbudget.apr:

Temperatura: Oprima o botão ao lado do tema Temp para visualizar as temperaturas médias anuais na malha de 0.5 graus terrestres.

Precipitação: Para visualizar os dados de precipitação média anual, remova o ao lado do tema Temp e adicione um ao lado do tema Precip.

Dados de Capacidade de Retenção de Água

Obteve-se, via anonymous ftp, do USGS Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, uma estimativa global da água disponível no solo para a vegetação (entendida como capacidade de retenção de água no solo), discretizada numa malha de 0.5 graus terrestres. Estes dados foram compilados para a elaboração da dissertação de mestrado de Krista Dunne junto à Universidade de Delaware. Informações sobre os conteúdos de areia, argila e matéria orgânica, profundidade radicular, e espessura dos horizontes, foi utilizada para estimar a capacidade de retenção de água no solo. Uma importante fonte de dados utilizada para essa análise foi o trabalho da FAO entitulado Digitized Soil Map of the World (FAO, UNESCO, 1974-1981). A estimativa da capacidade global média, de retenção de água no solo, é de 86 mm.

A capacidade de retenção de água no solo também foi agregada como um atributo do plano de informação morclim.shp. Estes valores estão contidos no campo whold. Para visualizar esses dados remova o ao lado do tema Precip e oprima aquele ao lado de Water Holding Cap..

Dados de Radiação Líquida Incidente

Foram gerados dados globais médios mensais, de radiação líquida incidente, pelo projeto International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP), disponíveis para um período de 96 meses, de julho de 1983 a junho de 1991(Surface Radiation Budget). Esses dados estão apresentados num formato de malha de áreas iguais do ISSCP, que no equador possui uma resolução espacial de 2.5 graus terrestres. Os valores mensais da radiação líquida incidente foram computados para esse período de 8 anos. Para facilitar os cálculos, os dados de radiação foram reamostrados para a mesma resolução espacial dos demais dados climáticos e de solo (0.5 graus terrestres).

Há 13 campos no plano de informação morclim.shp, que contém as 12 médias mensais e um valor correspondente à média anual. Os valores anuais podem ser visualizados no tema denominado Net Rad.

Para visualizar as médias anuais de radiação líquida incidente remova o ao lado do tema Water Holding Cap. e oprima aquele ao lado de Net Rad.

Você pode observar que os baixos valores de radiação líquida incidente encontram-se na região seca e desértica (interior) e que os altos valores são observados na região costeira e no oceano. A razão dessa diferença está na maior emissão de radiação de ondas longas no deserto, devido à sua alta temperatura de superfície, e por ser a energia incidente, nas regiões úmidas, utilizada para a vaporização da água, o que impede a sua re-emissão sob a forma de ondas longas. Baixa umidade do ar e poucas nuvens permite que maior emissão de radiação de ondas longas, desde a superfície, retorne livremente para a atmosfera. O albedo (fração da radiação incidente de ondas curtas que é refletida) tem, ainda, a tendência de possuir maiores valores nas regiões secas.

2. Rodando um Script Avenue para Calcular a Evapotranspiração Potencial

O script para o cálculo da evapotranspiração potencial (PE) faz uso do método de Priestley-Taylor para esse fim. Para iniciar os cálculos, remova a seleção ao lado de Net Rad e selecione comcells.shp. Assegure-se de que o tema comcells.shp esteja ativo pressionando-o com o mouse de modo a realçar a barra com seu nome.

Você necessita selecionar as células de comcells.shp nas quais você deseja efetuar os cálculos. Para isso, use a ferramenta de seleção , e delimite algumas células da View pressionando e arrastando o mouse. Sugere-se que você selecione 10 células ou menos, de modo a restringir o tempo de processamento. Se você efetuar uma seleção e desejar alterá-la, utilize a ferramenta para rejeitar sua seleção e então repita o procedimento. Para orientar-se no Marrocos, você pode desejar adicionar à View o tema marcity.shp que você utilizou no Exercício 1. Aqui estão 9 células selecionadas no entorno da cidade de Marraquesh.

Para calcular a evapotranspiração potencial selecione Calculate PE no menu Programs. Uma janela se abrirá pedindo-lhe para introduzir informações:

Working Directory: define o diretório em que o resultado será arquivado. Este é definido automaticamente pelo programa como sendo o local em que os arquivos foram lidos para compor a View. Modifique esse diretório apenas se você desejar arquivar seus resultados em outra localidade;

View: define em qual View o programa irá operar. Assegure-se de que este nome seja o mesmo do título da View e que aparece no alto da mesma. Por omissão o nome utilizado é wbudget;

Theme Name: nome do tema em que as células para cálculo foram selecionadas;

ID Field: campo chave que indexa as células de cálculo. Este é ajustado automaticamente e você não necessita modificá-lo;

Output File Name: nome do arquivo de saída dos cálculos. Modifique esse nome se você repetir os cálculos, de modo a não apagar os resultados previamente obtidos. Por omissão o nome do arquivo de saída é pevmor.txt.

Após concluir os cálculos você pode querer visualizar o resultado. Arcview não agrega arquivos de texto ao projeto de forma automática, e você deverá fazer isso por si mesmo. Ative o ícone de tabelas na janela do projeto e pressione o botão para adicionar o arquivo de texto pevmor.txt ao projeto. Quando adicionar a tabela utilize a barra de rolamento em List File of Type para selecionar Delimited Text (*.txt) porque, por omissão, o tipo de arquivo que Arcview procura possui o formato dBase ou a extensão .dbf.

Eis aí alguns resultados. Na tabela, a primeira coluna ou campo corresponde ao tempo, nesse caso meses, com 1 = janeiro, 2 = fevereiro, etc. Os demais campos na tabela correspondem à evapotranspiração potencial, em mm/mes, calculados para cada mes e para cada célula selecionada na View. Para saber a qual célula os dados se referem, assegure-se que o tema Comcell.shp seja o único realçado na View, e então vá a Theme/Properties, selecione em TextLabels o Label Field e acione a barra de rolamento para selecionar o campo correspondente às células que foram utilizadas nesse cálculo (Afpoly_); em seguida, utilize Theme/Autolabel para que as células selecionadas sejam rotuladas. Por exemplo, a célula 2592 é a célula do canto superior esquerdo dessa seleção e seu campo é realçado na tabela mostrada abaixo.

Pode-se construir um gráfico da evapotranspiração potencial de uma dada célula pressionando duas vezes sobre a tabela pevmor.txt, selecionando Table/Chart na barra do menu, selecionando o campo C2592 em Fields e pressionando o botão Add para adicioná-lo ao Groups, após o que, em Label series using: selecione o campo Index. Deverá surgir um gráfico de barras semelhante ao mostrado abaixo.

A fórmula empregada para calcular a evapotranspiração potencial é:

onde Ep é a evapotranspiração potencial em mm/mes, d é o gradiente da curva de pressão de saturação de vapor em kPa/ºC, à temperatura T (ºC) ambiente, g é a constante psicrométrica em kPa/ºC, e Er é o equivalente à evaporação de água, em mm/dia, da radiação líquida incidente. Os valores de d e g, em função da temperatura, podem ser encontrados no Handbook of Hydrology (McGraw-Hill, 1993, ed. by D.R. Maidment). O valor de Er pode ser calculado por:

onde Rn é a radiação líquida incidente em W/m2, L é o calor latente de vaporização da água em J/kg, e 86,400 é o número de segundos do dia. Assume-se aqui densidade da água de 1000 kg/m3. O valor de L está dado por:

onde T é a temperatura ambiente.

Para o mes de julho, na célula C2592, os valores de entrada de temperatura e radiação líquida incidente podem ser lidos ao selecionar-se o tema comcell.shp e, utilizar-se a ferramenta de informação para selecionar a célula desejada. Os valores para o mes de julho são: T = 26.7 ºC e Rn = 122.13 W/m2. O calor latente de vaporização pode ser calculado por:

e o valor de Er por:

Para a temperatura de 26.7 ºC, os valores de d e g obtidos na referência, e nas unidades indicadas, correspondem a: d = 0.206, e g = 0.0671, e portanto a evapotranspiração potencial do mes de julho corresponde a :

e se esse valor é multiplicado pelos 31 dias do mes de julho obtem-se a taxa de 132 mm/mes. O valor correspondente ao mes de julho, de evapotranspiração potencial, na célula C2592 da tabela pevmor.txt, é de 131.92 mm/mes, e portanto ficam os cálculos verificados.

3. Rodando um Script Avenue para Calcular o Balanço Hídrico

Feche a tabela pevmor.txt e assegure-se de que comcells.shp ainda seja o tema ativo. Utilize para selecionar as células de comcells.shp nas quais você deseja calcular o balanço hídrico. Esse processamento requer algum tempo, portanto recomenda-se selecionar menos que 10 células. Você pode selecionar quaisquer células e não está restrito àquelas em que você calculou a evapotranspiração potencial, pois estes cálculos para todas as células foram previamente efetuados.

Selecione Run Soil Budget no menu de Programs. Você será questionado se deseja prosseguir com a seleção atual de células (diga que sim), e a seguir você deverá efetuar a seleção do control file. Selecione morbal.ctl. Este arquivo possui lista de parâmetros idêntica àquela apresentada abaixo:

Os parâmetros nessa janela são:

Working Directory: o diretório de destino do arquivo de saída;

Starting Month for Balancing: primeiro mes para os cálculos do balanço hídrico. Por omissão o valor é um, correspondente a janeiro;

Number of Years for Balancing: corresponde ao número de anos de dados em seu arquivo de dados climáticos. Por omissão o valor é um ano;

Ending Month: último mes para o cálculo do balanço hídrico. Por omissão o valor é 12, correspondente a dezembro;

Months Beyond Balance Period: por omissão este valor é 0;

Precip Table: tabela especificando os dados de entrada de precipitação (mm/mes);

Pevap Table: tabela especificando os dados de entrada de evapotranspiração potencial (mm/mes). Esta tabela é semelhante àquela pevmor.txt calculada anteriormente;

Surplus Table: tabela contendo os valores calculados de excesso de precipitação (mm/mes);

Soil Moisture Table: tabela contendo o conteúdo de umidade do solo no início de cada mes (mm);

DST Table: tabela contendo o incremento mensal no conteúdo de umidade do solo (mm);

Actual Evap. Table: tabela contendo a evapotranspiração potencial do mes em curso (mm/mes);

Theme to Model: tema que define as unidades do modelo (células) nas quais os cálculos serão efetuados;

Cell ID Field: campo chave do tema que define as unidades do modelo, o qual indexa as unidades espaciais e é utilizado no cabeçalho do campo ou coluna de todas as tabelas que contém séries temporais com valores calculados, e que objetiva apontar ao modelo, nas tabelas que contém séries temporais de dados, quais terão seus valores utilizados para cálculo;

Whold Field: nome do campo, no tema que define as unidades do modelo, que especifica a capacidade de retenção de água do solo (mm);

View: nome da View ativa em que o programa é executado.

Não altere os nomes dos arquivos de entrada de precipitação e evapotranspiração potencial, mas você pode modificar os nomes dos arquivos de saída se você desejar efetuar cálculos para diferentes casos e desejar comparar os resultados.

Abaixo encontra-se um exemplo dos dados de entrada de precipitação e evapotranspiração potencial utilizados nos cálculos aqui efetuados. Os dados para a célula C2592 estão destacados. Você pode observar que os valores da evapotranspiração potencial são os mesmos determinados previamente nesse exercício. As 12 linhas nessas tabelas contém os dados dos 12 meses, de janeiro a dezembro.

Antes de executar os cálculos você verá surgir a mensagem abaixo, a qual lhe proporciona a oportunidade de salvar o arquivo de controle que você criou, caso você o tenha modificado, de modo a que você possa recuperá-lo para uso posteriror. Na primeira vez que você executa esse exercício selecione No. Se você novamente executar o exercício com o mesmo arquivo de controle, você estará criando réplicas dos arquivos de saída. Nessa condição, se você pressionar Yes você terá que informar um nome para o novo arquivo de controle.

Quando concluirem os cálculos do balanço hídrico você verá mensagem como esta. Pressione OK e o programa terminará.

4. Visualizando os Resultados

Quatro arquivos do tipo dBase foram criados pelo script balance.ave, iniciado quando você selecionou Run Soil Budget. Surpmor.dbf contém os valores calculados do excesso de precipitação. Stmor.dbf contém o armazenamento de água no solo. Dstmor.dbf contém as mudanças desse armazenamento, e evapmor.dbf contém a evapotranspiração potencial calculada. Abaixo está o exemplo dos cálculos efetuados:

O exemplo de cálculo corresponde ao mes de maio, na célula C2592. Essa unidade possui uma capacidade de retenção de água no solo de 13 mm. Em maio ocorreram uma precipitação de 33 mm, uma evapotranspiração potencial de 27.1 mm, um excesso de precipitação de 7.2 mm, resultando numa variação no armazenamento de água no solo de 33 - 27.1 - 7.2 = -1.3mm. O armazenamento no início do mes é de 4.0 mm, e portanto ao fim do mes esse será de 4.0 - 1.3 = 2.7mm. Esse valor é então armazenado como o conteúdo de umidade do solo no início do mes de junho.

No programa os cálculos são efetuados tendo por base um passo temporal diário. Os valores mensais da precipitação e da evapotranspiração potencial são divididos pelo número de dias do mes para obter os valores médios diários. O escoamento superficial, ou precipitação em excesso, são determinados em função da precipitação e da razão entre o conteúdo de umidade armazenado no solo e a capacidade de armazenamento de água do solo. A evapotranspiração diária é determinada em função da evapotranspiração potencial e a razão entre o conteúdo de umidade armazenado no solo e a capacidade de armazenamento de água do solo. O armazenamento de água no solo ao final do dia é então, tentativamente calculado e, se este exceder a capacidade de armazenamento, o excesso é adicionado à precipitação em excesso e atribui-se ao armazenamento de água no solo, antes de serem iniciados os cálculos do próximo dia, o valor correspondente à capacidade desse armazenamento. Este algorítimo apresenta limitações pelo fato de assumir que precipitações mensais ocorrem de forma distribuída ao longo do tempo, em lugar de concentrada em alguns dias, com intervalos de precipitação nula. Essa simplificação é em parte contornada ao se contabilizar diariamente baixos valores de escoamento superficial ou de precipitação em excesso, à maneira em que um solo drena para um curso d'água. O algorítimo aqui utilizado também pode ser aplicado quando se dispuser de dados diários, o que deverá proporcionar resultados que mais se aproximarão da realidade.

Os dados climáticos aqui utilizados foram valores médios mensais ao longo de um ano. Os cálculos são efetuados para uma sequência de vários anos iguais a esse, até que se estabilizem os valores do conteúdo de umidade armazenada no solo em cada mes, e que independam do ano em que foram calculados. Estes valores representam, portanto, a expectativa média mensal, em vários anos, dos conteúdos de umidade armazenada no solo.

Gerando um Gráfico dos Resultados

Um script foi desenvolvido para facilitar a criação dos gráficos de precipitação, evapotranspiração potencial, conteúdo de umidade do solo, evapotranspiração e precipitação em excesso, nas células selecionadas. Para gerar esses gráficos, pressione sobre o ícone , e depois sobre uma célula em que o balanço hídrico foi contabilizado. Você deverá visualizar um gráfico de 5 colunas.

O.K. Isso é tudo por ora. Divirta-se.

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Este material pode ser utilizado para finalidades educacionais, de estudo e pesquisa, mas por favor faça referência aos autores e ao Center for Research in Water Resources, The University of Texas at Austin. Todos os direitos comerciais reservados. Copyright 1997 Center for Research in Water Resources.