AULA 13 Hidrogeologia

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GEOLOGIA APLICADA À ENGENHARIA CIVIL
Hidrogeologia
Introdução
 Hidrogeologia é o ramo das Geociências (ciências da terra) que estuda as águas subterrâneas quanto ao seu movimento, volume, distribuição e qualidade.
Introdução
 Cerca de 70% de sua superfície terrestre é composta por água.
 A maior parte da hidrosfera do planeta, 97%, é composta por água dos mares e oceanos que, por serem extremamente salgadas, são impróprias para consumo.
 No caso do Brasil, há certo privilégio, pois possuímos a maior disponibilidade de água potável, com cerca de 11% do total.
 A sua maior parte encontra-se na região Norte do país, zona menos habitada e com solos pouco agricultáveis. As regiões Sul, Sudeste, Centro-Oeste e Nordeste dividem a quantidade restante, sendo que essa última é a que mais sofre com os problemas de escassez de água.
Introdução
 Elemento essencial a vida;
 Regulador térmico;
 Produção de alimentos;
 Essencial à saúde;
 Produção de energia;
 Insumo industrial;
 Meio de transporte;
 Recreação, paisagismo.
Ciclo hidrológico 
 De uma maneira ou de outra, a água existe em toda parte.
 Pode ser considerada ilimitada nos oceanos (relativo ao homem) e de magnitude quase nula nas regiões desérticas.
 Na atmosfera, a água está presente em forma de vapor, nuvens e precipitação.
 Sob a superfície da Terra ocorre em forma de cursos d´água e lagos.
 Maior porção de água do planeta está contida nos oceanos e mesmo assim, há permanente circulação de água em todo o corpo da natureza.
 A evaporação na superfície dos oceanos é permanente.
Ciclo hidrológico 
 O ciclo hidrológico, ou ciclo da água, é o movimento contínuo da água presente nos oceanos, continentes (superfície, solo e rocha) e na atmosfera. Esse movimento é alimentado pela força da gravidade e pela energia do Sol, que provocam a evaporação das águas dos oceanos e dos continentes.
Como ocorre o ciclo hidrológico ?
 A água evaporada dos oceanos:
 condensa-se e precipita-se sobre os mesmos;
 é levada pelos ventos para áreas continentais e precipita-se sob forma de chuva, granizo, neve ou condensa-se sob a forma de orvalho ou geada nas áreas de vegetação.
 Umidade sob forma de orvalho ou geada, que é diretamente evaporada ou absorvida pela vegetação. 
 Água precipitada sob a forma de chuva:
uma parte transforma-se em vapor;
Como ocorre o ciclo hidrológico ?
outra parte é interceptada pela vegetação, pelas construções e objetos e é parcialmente reevaporada;
outra parte escoa superficialmente até alcançar os cursos d´água, retornando aos oceanos.
outra parte infiltra-se pelo solo, onde:
parte é retida por capilaridade nas proximidades da superfície e dali evaporada;
outra parte é utilizada pela vegetação retornando à atmosfera pelo processo de transpiração;
outra parte infiltra-se mais profundamente (subsolo) dando origem ao escoamento subterrâneo;
uma pequena parte infiltra-se até grandes profundidades e, após longos períodos de tempo, surge sob a forma de nascentes ou gêiseres.							
 Água que alcança os cursos d´água -----> somente uma parte escoa diretamente para o rio.
 O restante:
evaporado diretamente da superfície líquida;
Como ocorre o ciclo hidrológico ?
absorvido pela vegetação ribeirinha;
penetra nos solos marginais quando o nível freático é inferior ao nível do curso d´água; esta parcela pode retornar ao curso d´água em pontos mais a jusante; ou pode encontrar saídas em nascentes distantes em outras bacias, lagos ou mesmo no mar; pode ainda ser alcançada por vegetais de raízes profundas ou então agregar-se às águas subterrâneas.
Como ocorre o ciclo hidrológico ?
Ciclo hidrológico 
CICLO HIDROLÓGICO 
Ciclo hidrológico 
CICLO HIDROLÓGICO 
Ciclo hidrológico 
 O ciclo hidrológico pode ser representado pela chamada Equação do Balanço Hídrico, que em geral está associada a uma bacia hidrográfica. Essa equação é dada por:
 Onde:
 P – total precipitado sobre a bacia em forma de chuva, neve, etc., expressa em mm;
 EVT – perdas por evapotranspiração, expressa em mm;
 Q – escoamento superficial que sai da bacia. É normalmente dado em vazão média ao longo do intervalo (por exemplo m³/s ao longo do ano);
 ΔR – variação de todos os armazenamentos, superficiais e subterrâneas. É expresso em m³ ou em mm. 
Precipitação
 Precipitação é a água proveniente do vapor d’água da atmosfera, que chega a superfície terrestre, sob a forma de: 	
chuva, 
granizo, 
neve, 
orvalho,
geada, etc.
 Para as condições climáticas do Brasil, a chuva é a mais significativa em termos de volume.
 A chuva é um fenômeno meteorológico que resulta da precipitação das gotas líquidas da água das nuvens sobre a superfície da Terra.
Chuva
CHUVA
 Granizo é a forma de precipitação que consiste na queda de pedaços irregulares de gelo, comumente chamados de pedras de granizo. Essas pedras, na Terra, são compostas por água no estado sólido.
Granizo
GRANIZO
 A neve é uma ocorrência meteorológica que consiste na precipitação de flocos formados por cristais de gelo.
Neve
NEVE
 O orvalho, sereno ou rocio é um fenômeno físico no qual a umidade do ar precipita por condensação na forma de gotas, pela diminuição da temperatura ou em contato com superfícies frias. 
Orvalho
ORVALHO
 Geada é a formação de uma camada de cristais de gelo na superfície ou na folhagem exposta devido à queda de temperatura. A principal causa da formação de geada é a advecção de massa de ar polar.
Geada
GEADA
 A umidade atmosférica é o elemento básico para a formação das precipitações.
 A formação da precipitação segue o seguinte processo: 
O ar úmido das camadas baixas da atmosfera é aquecido por condução, torna-se mais leve que o ar das vizinhanças e sofre uma ascensão adiabática. 
Essa ascensão do ar provoca um resfriamento que pode fazê-lo atingir o seu ponto de saturação.
Formação das chuvas
Formação das chuvas
A partir desse nível, há condensação do vapor d’água em forma de minúsculas gotas que são mantidas em suspensão, como nuvens ou nevoeiros.
 Essas gotas não possuem ainda massa suficiente para vencer a resistência do ar, sendo, portanto, mantidas em suspensão, até que, por um processo de crescimento, ela atinja tamanho suficiente para precipitar.
Formação das chuvas
FORMAÇÃO DAS CHUVAS
Evaporação
 Evaporação é o conjunto de fenômenos de natureza física que transformam em vapor a água da superfície do solo, a dos cursos de água, lagos, reservatórios de acumulação e mares.
EVAPORAÇÃO
Transpiração
 Transpiração é a evaporação devida à ação fisiológica dos vegetais. 
 As plantas, através de suas raízes, retiram do solo a água para suas atividades vitais. 
 Parte dessa água é cedida à atmosfera, sob a forma de vapor, na superfície das folhas.
Evapotranspiração
 Ao conjunto das duas ações dá-se o nome de evapotranspiração.
 Evapotranspiração potencial é a máxima evapotranspiração que ocorreria se o solo dispusesse de suprimento de água, suficiente.
 Evapotranspiração real ou efetiva é a perda d´água por evaporação ou transpiração, nas condições reinantes (atmosféricas e de umidade do solo). Nos períodos de deficiência de chuva em que os solos tornam-se mais secos, a evapotranspiração real é sempre menor do que a potencial.
Evapotranspiração
EVAPOTRANSPIRAÇÃO
Escoamento superficial
 Escoamento superficial é o movimento das águas, que, por efeito da gravidade, se deslocam na superfície da Terra.
 O escoamento superficial de um rio está direta ou indiretamente relacionado com as precipitações que ocorrem em sua bacia hidrográfica.
Escoamento superficial
 O escoamento superficial tem origem fundamentalmente, nas precipitações.
 Parte da água das chuvas é interceptada pela vegetação e outros obstáculos, onde se evapora posteriormente.
 Do volume que atinge a superfície do solo, parte é retida em depressões do terreno, parte se infiltra e o restante escoa pela superfície logo que a intensidade da precipitação supere a capacidade de infiltração no solo.
Escoamento
superficial
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Infiltração
 A água precipitada tem os seguintes destinos:
Parte é interceptada pelas vegetações;
Parte é retida nas depressões;
Parte é infiltrada;
O resto escoa superficialmente.
Infiltração
INFILTRAÇÃO
Infiltração
 Infiltração é o fenômeno de penetração da água nas camadas do solo próximas à superfície do terreno.
Infiltração
 Compreender as características litológicas, estratigráficas e estruturais dos solos, sedimentos e rocha permite entender o processo de infiltração da água no subsolo, a forma como as unidades geológicas armazenam e transmitem a água subterrânea e as influências nos seus aspectos relativos à quantidade e qualidade.
 A infiltração é favorecida nos materiais porosos e permeáveis. 
 A porosidade, que é a relação entre o volume de poros ou vazios e o volume total de um certo material.
Águas subterrâneas 
 Água subterrânea é toda a água que ocorre abaixo da superfície da Terra, preenchendo os poros ou vazios intergranulares das rochas sedimentares, ou as fraturas, falhas e fissuras das rochas compactas, e que sendo submetida a duas forças (de adesão e de gravidade) desempenha um papel essencial na manutenção da umidade do solo, do fluxo dos rios, lagos e brejos. 
 As águas subterrâneas cumprem uma fase do ciclo hidrológico, uma vez que constituem uma parcela da água precipitada.
Águas subterrâneas 
 Após a precipitação, parte das águas que atinge o solo se infiltra e percola no interior do subsolo, durante períodos de tempo extremamente variáveis, decorrentes de muitos fatores:
 Porosidade do subsolo: a presença de argila no solo diminui sua permeabilidade, não permitindo uma grande infiltração;
 Cobertura vegetal: um solo coberto por vegetação é mais permeável do que um solo desmatado;
 Inclinação do terreno: em declividades acentuadas a água corre mais rapidamente, diminuindo a possibilidade de infiltração;
 Tipo de chuva: chuvas intensas saturam rapidamente o solo, ao passo que chuvas finas e demoradas têm mais tempo para se infiltrarem.
Águas subterrâneas 
 Durante a infiltração, uma parcela da água sob a ação da força de adesão ou de capilaridade fica retida nas regiões mais próximas da superfície do solo, constituindo a zona não saturada. 
 Outra parcela, sob a ação da gravidade, atinge as zonas mais profundas do subsolo, constituindo a zona saturada.
Ocorrência e volume das águas subterrâneas
 Assim como a distribuição das águas superficiais é muito variável, a das águas subterrâneas também é, uma vez que elas se inter-relacionam no ciclo hidrológico e dependem das condições climatológicas. 
 Entretanto, as águas subterrâneas cerca de 10.360.230 km³ são aproximadamente 100 vezes mais abundantes que as águas superficiais dos rios e lagos cerca 92.168 km³.
Ocorrência e volume das águas subterrâneas
 Embora elas encontrem-se armazenadas nos poros e fissuras milimétricas das rochas, estas ocorrem em grandes extensões, gerando grandes volumes de águas subterrâneas na ordem de, aproximadamente, 23.400 km³, distribuídas em uma área aproximada de 134,8 milhões de km², constituindo-se em importantes reservas de água doce.
Ocorrência e volume das águas subterrâneas
 No Brasil, as reservas de água subterrânea são estimadas em 112.000 km³ (112 trilhões de m³) e a contribuição multianual média à descarga dos rios é da ordem de 2.400 km³/ano.
 Nem todas as formações geológicas possuem características hidrodinâmicas que possibilitem a extração econômica de água subterrânea para atendimento de médias e grandes vazões pontuais. 
 As vazões já obtidas por poços variam, no Brasil, desde menos de 1 m³/h até mais de 1.000 m³/h.
Qualidade das águas subterrâneas
 Durante o percurso no qual a água percola entre os poros do subsolo e das rochas, ocorre a depuração da mesma através de uma série de processos físico-químicos (troca iônica, decaimento radioativo, remoção de sólidos em suspensão, neutralização de pH em meio poroso, entre outros) e bacteriológicos (eliminação de microrganismos devido à ausência de nutrientes e oxigênio que os viabilizem) que agindo sobre a água, modificam as suas características adquiridas anteriormente, tornando-a particularmente mais adequada ao consumo humano.
Qualidade das águas subterrâneas
 As águas subterrâneas apresentam algumas propriedades que tornam o seu uso mais vantajoso em relação ao das águas dos rios:
 São filtradas e purificadas naturalmente através da percolação, determinando excelente qualidade e dispensando tratamentos prévios; 
 Não ocupam espaço em superfície;
 Sofrem menor influência nas variações climáticas;
 São passíveis de extração perto do local de uso; 
Qualidade das águas subterrâneas
 Possuem temperatura constante; 
 Têm maior quantidade de reservas;
 As suas reservas e captações não ocupam área superficial; 
 Apresentam grande proteção contra agentes poluidores; 
 O uso do recurso aumenta a reserva e melhora a qualidade;
 Possibilitam a implantação de projetos de abastecimento à medida da necessidade.
Aquíferos 
 Aquífero é uma formação geológica do subsolo, constituída por rochas permeáveis, que armazena água em seus poros ou fraturas.
 Outro conceito refere-se a aquífero como sendo, somente, o material geológico capaz de servir de depositório e de transmissor da água aí armazenada. 
 Assim, uma litologia só será aquífera se, além de ter seus poros saturados (cheios) de água, permitir a fácil transmissão da água armazenada.
Tipos de Aquíferos 
 A litologia do aquífero, ou seja, a sua constituição geológica (porosidade/ permeabilidade intergranular ou de fissuras) é que irá determinar a velocidade da água em seu meio, a qualidade da água e a sua qualidade como reservatório.
 Essa litologia é decorrente da sua origem geológica, que pode ser fluvial, lacustre, eólica, glacial e aluvial (rochas sedimentares), vulcânica (rochas fraturadas) e metamórfica (rochas calcáreas), determinando os diferentes tipos de aquíferos.
Tipos de Aquíferos 
 Quanto à porosidade, existem três tipos aquíferos:
Tipos de Aquíferos 
 É aquele formado por rochas sedimentares consolidadas, sedimentos inconsolidados ou solos arenosos, onde a circulação da água se faz nos poros formados entre os grãos de areia, silte e argila de granulação variada. 
 Constituem os mais importantes aquíferos, pelo grande volume de água que armazenam, e por sua ocorrência em grandes áreas. 
 Uma particularidade desse tipo de aquífero é sua porosidade quase sempre homogeneamente distribuída, permitindo que a água flua para qualquer direção, em função tão somente dos diferenciais de pressão hidrostática ali existente. Essa propriedade é conhecida como isotropia.
AQUÍFERO POROSO OU SEDIMENTAR
Tipos de Aquíferos 
 Formado por rochas ígneas, metamórficas ou cristalinas, duras e maciças, onde a circulação da água se faz nas fraturas, fendas e falhas, abertas devido ao movimento tectônico. Ex.: basalto, granitos, gabros, filões de quartzo, etc.
 A capacidade dessas rochas de acumularem água está relacionada à quantidade de fraturas, suas aberturas e intercomunicação, permitindo a infiltração e fluxo da água.
 Poços perfurados nessas rochas fornecem poucos metros cúbicos de água por hora, sendo que a possibilidade de se ter um poço produtivo dependerá, tão somente, desse poço interceptar fraturas capazes de conduzir a água. 
AQUÍFERO FISSURAL OU FRATURADO
Tipos de Aquíferos 
 Formado em rochas calcáreas ou carbonáticas, onde a circulação da água se faz nas fraturas e outras descontinuidades (diáclases) que resultaram da dissolução do carbonato pela água. 
 Essas aberturas podem atingir grandes dimensões, criando, nesse caso, verdadeiros rios subterrâneos. 
 São aquíferos heterogêneos, descontínuos, com águas duras, com fluxo em canais. 
 As rochas são os calcários, dolomitos e mármores.
AQUÍFERO CÁRSTICO (KARST)
Tipos de Aquíferos 
 Quanto à superfície superior (segundo a pressão da água), os aquíferos podem ser de dois tipos: 
Tipos de Aquíferos
É aquele constituído por uma formação geológica permeável e superficial, totalmente aflorante em toda a sua extensão, e limitado na base por uma camada impermeável. 
 A superfície superior da zona saturada está em equilíbrio com a pressão atmosférica, com a qual se comunica livremente. 
AQUÍFERO LIVRE OU FREÁTICO
Tipos de Aquíferos 
 Os aquíferos livres têm a chamada recarga direta. 
 Em aquíferos livres o nível da água varia segundo a quantidade de chuva. 
 São os aquíferos mais comuns e mais explorados pela população. 
 São também os que apresentam maiores problemas de contaminação. 
AQUÍFERO LIVRE OU FREÁTICO
Tipos de Aquíferos 
 É aquele constituído por uma formação geológica permeável, confinada entre duas camadas impermeáveis ou semipermeáveis.
 A pressão da água no topo da zona saturada é maior do que a pressão atmosférica naquele ponto, o que faz com que a água ascenda no poço para além da zona aquífera.
 O seu reabastecimento ou recarga, através das chuvas, dá-se preferencialmente nos locais onde a formação aflora à superfície.
AQUÍFERO CONFINADO OU ARTESIANO
Tipos de Aquíferos 
Funções dos Aquíferos 
 Os aquíferos podem cumprir as seguintes funções:
 Função de produção: corresponde à sua função mais tradicional de produção de água para o consumo humano, industrial ou irrigação.
 Função de estocagem e regularização: utilização do aquífero para estocar excedentes de água que ocorrem durante as enchentes dos rios, correspondentes à capacidade máxima das estações de tratamento durante os períodos de demanda baixa, ou referentes ao reuso de efluentes domésticos e/ ou industriais.
Funções dos Aquíferos 
 Função de filtro: corresponde à utilização da capacidade filtrante e de depuração bio-geoquímica do maciço natural permeável. Para isso, são implantados poços a distâncias adequadas de rios perenes, lagoas, lagos ou reservatórios, para extrair água naturalmente clarificada e purificada, reduzindo substancialmente os custos dos processos convencionais de tratamento.
 Função transporte: o aquífero é utilizado como um sistema de transporte de água entre zonas de recarga artificial ou natural e áreas de extração excessiva.
Funções dos Aquíferos 
 Função estratégica: a água contida em um aquífero foi acumulada durante muitos anos ou até séculos e é uma reserva estratégica para épocas de pouca ou nenhuma chuva.
 Função energética: utilização de água subterrânea aquecida pelo gradiente geotermal como fonte de energia elétrica ou termal.
 Função mantenedora: mantém o fluxo de base dos rios. 
Ocorrências de aquíferos no Brasil
 A combinação das estruturas geológicas com fatores geomorfológicos e climáticos do Brasil resultou na configuração de 10 províncias hidrogeológicas (mapa 1), que são regiões com sistemas aquíferos com condições semelhantes de armazenamento, circulação e qualidade de água.
 Essas províncias podem estar divididas em subprovíncias.
Ocorrências de aquíferos no Brasil
Aquífero Guarani
Aquífero Alter do Chão
Aquíferos de projeção mundial
Bibliografia básica
MACIEL FILHO, C.L. Introdução à geologia de engenharia. 4ª ed. Santa Maria: UFSM, 308p, 2011. 
OLIVEIRA, A.M.S.; BRITO, S.N.A. Geologia de engenharia. São Paulo: ABGE, 587p, 1998. 
TEIXEIRA, W. ET AL. Decifrando a Terra. São Paulo: Oficina de Textos, 568p, 2000.
Dúvidas, perguntas ou sugestões ?
Obrigado pela atenção!