AULA 8 AGUAS SUBTERRANEAS PARTE1

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Águas Subterrâneas e 
hidráulica de poços
Sumário da aula
— Parte 1 – Águas subterrâneas
— O que são águas subterrâneas;
— O que são aquíferos;
— Tipos de aquíferos;
— Impactos ambientais sobre aquíferos;
— Propriedades hidrogeológicas dos aquíferos;
— Lei de Darcy;
— Exercícios
— Parte 2 – Hidráulica de Poços
— Tipos de poços;
— Elementos da hidráulica de poços;
— Dimensionamento de poços;
— Exercícios
Águas subterrâneas
— Do ponto de vista hidrológico, a água encontrada na zona saturada 
do solo é dita subterrânea
zona saturada
Em geral, exige menos tratamento 
antes do consumo do que a água 
superficial, em função de uma 
qualidade inicial melhor.
Em regiões áridas e semi-áridas pode 
ser o único recurso disponível para
consumo.
Águas subterrâneas
— Fatores limitantes
— 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
Percolação
— abastecimento dos aqüíferos (mantém vazão dos rios durante as 
estiagens);
— Redução do escoamento superficial: cheias, erosão
É a passagem de água da zona não-saturada (zona de aeração) para
a zona saturada
Águas subterrâneas
Distribuição de águas
Reservatório Volume (%) Tempo médio de permanência
Oceanos 94 4.000 anos
Galerias e capas de gelo 2 10 – 1.000 anos
Águas subterrâneas 4 2 semanas a 10.000 anos
Lagos, rios, pântanos e reservatórios 
artificiais. < 0,01 2 semanas a 10 anos
Umidade nos solos < 0,01 2 semanas a 1 ano
Biosfera < 0,01 1 semana
Atmosfera < 0,01 10 dias
Ocorrência das águas subterrâneas
— No mundo
— Volume aprox. de 10.360.230 km3 (100 vezes mais abundante
que as águas superficiais)
— Alguns especialistas indicam que a quantidade de água
subterrânea pode chegar até 60 milhões de km3, mas a sua
ocorrência em grandes profundidades pode impossibilitar seu
uso
— Por essa razão, a quantidade passível de ser captada estaria
a menos de 4.000 metros de profundidade, compreendendo
cerca de 8 e 10 milhões de km3
— 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 (2 % do
volume)
— 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
Ocorrência das águas subterrâneas
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 e
bacteriológicos, tais como:
— troca iônica
— decaimento radioativo
— remoção de sólidos em suspensão
— neutralização de pH em meio poroso
— eliminação de microorganismos devido à ausência de
nutrientes e oxigênio que os viabilizem
— Ou seja, as águas subterrâneas são filtradas e purificadas
naturalmente no processo de percolação
Uso das águas subterrâneas
— A exploração de água subterrânea está condicionada a
fatores quantitativos, qualitativos e econômicos:
— Quantidade: intimamente ligada à condutividade hidráulica e
ao coeficiente de armazenamento dos terrenos
— Qualidade: influenciada pela composição das rochas e
condições climáticas e de renovação das águas
— Econômico: depende da profundidade do aqüífero e das
condições de bombeamento.
O que é um aquífero?
Derivado do Latim, a palavra 
aquífero quer dizer: 
“ carregar água”.
Unidades rochosas ou de sedimentos, 
porosas e permeáveis, que armazenam 
e transmitem volumes significativos de 
água subterrânea passível de ser 
explorada
— Em oposição ao termo aquífero, utiliza-se o termo 
AQUICLUDE para definir unidades geológicas que apesar 
de saturadas e com grande quantidade de água absorvida 
lentamente, são incapazes de transmitir um volume 
significativo de água
AQUIFUGOS
— São unidades 
Geológicas que não 
apresentam poros
interconectados e não 
absorvem e nem 
transmitem a água.
Principais Aquíferos
Formação
Barreiras
O Aquífero Guarani
— O Aquífero Guarani é a maior 
reserva subterrânea de água 
doce do mundo, sendo também 
um dos maiores em todas as 
categorias
— Volume de aproximadamente 55 
mil km³ e profundidade máxima 
por volta de 1.800 m, com uma 
capacidade de recarregamento 
de aproximadamente 166 km³ ao 
ano por precipitação
— É dito que esta vasta reserva 
subterrânea pode fornecer água 
potável ao mundo por duzentos 
anos
O Aquífero Guarani
No Brasil, o aquífero guarani integra o território de oito estados:
Mato Grosso do Sul 213 200 km²
Rio Grande do Sul 157 600 km²
São Paulo 155 800 km²
Paraná 131 300 km²
Goiás 55 000 km²
Minas Gerais 51 300 km²
Santa Catarina 49 200 km²
Mato Grosso 26 400 km²
AQUÍFEROS E TIPOS DE POROSIDADE
Tipos de aquífero
Tipos de aquífero
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
Aquífero poroso ou sedimentar
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.. Poços perfurados nessas 
rochas fornecem poucos metros 
cúbicos de água por hora
Aquífero fraturado ou fissural
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
Aquífero cárstico (Karst)
Aquífero cárstico (Karst)
Tipos de aquíferos
— Livres à São aqueles cujo o topo é demarcado pelo 
nível freático, estando em contato com a atmosfera. 
Normalmente ocorrem a profundidades de alguns 
metros a poucas dezenas de metros da superfície
— Suspensos à São acumulações de águas sobre 
aquicludes, na zona insaturada, formando níveis 
lentiformes de aqüíferos livres acima do nível 
freático principal
— Confinadosà ocorre quando um estrato permeável 
(aquífero) está confinado entre duas unidades pouco 
permeáveis (aquiclude) ou impermeáveis
Funções dos aquíferos
— Produção: consumo humano, industrial ou irrigação
— Estocagem e regularização: estocar excedentes de água que 
ocorrem durante as enchentes dos rios
— Filtro: corresponde à utilização da capacidade filtrante e de 
depuração bio-geoquímica do maciço natural permeável
— Transporte: é utilizado como um sistema de transporte de água 
entre zonas de recarga artificial ou natural e áreas de 
extração excessiva
— Estratégica: o gerenciamento integrado das águas 
subterrâneas
— Energética: aquecimento pelo gradiente geotermal como 
fonte de energia elétrica ou termal
— Mantenedora: mantém o fluxo de base dos rios
Qual são os impactos sobre os aquíferos?
— Os Impactos Ambientais diferenciam em sua causa 
e efeito
Fontes de 
poluição
QUAIS SÃO OS IMPACTOS?
— Contaminação por agrotóxicos em solos que 
não favorece a degradação do agentes 
químicos,principalmente na zona de recarga 
dos aqüíferos
— Superexploração de aquiferos, que é a 
exploração da água subterrânea que ultrapassa 
os limites de produção das reservas reguladoras 
ou ativas do aqüífero, iniciando um processo de 
rebaixamento do nível potenciométrico do 
mesmo
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
— Subsidência de solos – movimento para baixo ou 
afundamento do solo causado pela perda de suporte 
subjacente, que leva ao colapso das construções 
civis
— Avanço da cunha salina – avanço da água do mar em 
superfície , sobre a água doce salinizando o aquífero
— Os aquíferos costeiros fluem quase sempre para o 
mar, em gradiente variável
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
— No encontro subterrâneo da água doce com a água
salgada forma-se uma interface denominada cunha
salina. Por ser mais densa, a água salgada fica
abaixo da água doce, permitindo que poços bem
próximos à praia ainda captem água doce
— Só em casos de intensa explotação, a cunha salina
pode avançar terra a dentro, salinizando os poços.
Isto quase que acontece na praia de Boa Viagem,
na cidade do Recife, exigindo a intervenção
governamental, que proibiu a perfuração de novos
poços naquela área
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
— O avanço da cunha salina pode salinizar não só os 
poços , mas também as estruturas de aço e concreto 
de edifícios próximos ao mar
— o aqüífero Barreiras na zona urbana de Maceió, 
originalmente com águas de boa qualidade, vem 
sendo em algumas áreas gradativamente 
contaminadas por águas salinizadas da Formação 
Marituba, por meio da ascensão vertical de cones 
salinos, devido a explotação intensiva desse sistema
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
Índices de Vulnerabilidade:
0,0 – 0,1 à DESPREZÍVEL
0,1 – 0,3 à BAIXA
0,3 – 0,5 àMODERADA
0,5 – 0,6 à ALTA
G
D
O
MAPA DE VULNERABILIDADE
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
Área de cultivo
Legenda:
0,0 – 0,1 à DESPREZÍVEL
0,1 – 0,3 à BAIXA
0,3 – 0,5 àMODERADA
0,5 – 0,6 à ALTA
Zona medida
Poços
Zonas Críticas
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
Área sem informação
Legenda – CLASSES DE USO DO SOLO
Área Urbana
Cana de açúcar
Coco
Corpos d’água
Fragmento Florestal
Mangue
Outros
Pastagem
Solo exposto
Várzea
Delimitação das áreas críticas
Situação Preocupante
AVALIAÇÃO DOS RISCOS
Situação Preocupante
Impactos Ambientais sobre os aquíferos
— Lagoa da coca-cola, 
aterro, lixão, estruturas 
de saúde, postos de 
combustível
q Porosidade h Þ razão entre o volume de vazios e o volume 
total
totalVolume
vaziosVolume
=h
— Depende da forma, do grau de compactação e da 
distribuição do tamanho das partículas
Material Intervalo Média
Limite inferior Limite superior
Argila 0,34 0,57 0,42
Silte 0,34 0,61 0,46
Areia fina 0,26 0,53 0,43
Areia grossa 0,31 0,46 0,39
Cascalho fino 0,25 0,38 0,34
Cascalho grosso 0,24 0,36 0,28
Propriedades Hidrogeológicas
q Umidade ou retenção ou conteúdo volumétrico
da água q Þ razão entre o volume de água e o volume total; 
para condições saturadas, todos os vazios estão 
preenchidos com água e, portanto, a umidade é dita saturada 
e se aproxima do valor da porosidade:
totalVolume
águaVolumeθ =
— Varia de zero (meio poroso completamente seco) até o 
valor máximo (porosidade) à curva de retenção
— q tende para um valor constante, quando a pressão 
capilar aumenta indefinidamente. O valor de q para o 
qual d q /dc à 0 é chamado retenção específica qr
Propriedades Hidrogeológicas
q Umidade q
q = 0 à meio
Poroso 
completamente 
seco
q = qrà retenção
específica
q = hà todos os
poros preenchidos
por água
qrà parâmetro 
razoavelmente 
constante, 
sobretudo para 
areias e 
cascalhos
Propriedades Hidrogeológicas
q Armazenabilidade Þ coeficientes de armazenamento
— Aquífero freático
porosidade efetiva ou eficaz ou produção 
específica ou ainda capacidade específica (ηe)à
volume drenável por gravidade / volume total
porosidade aparente ou coeficiente de 
armazenamento (S) à volume retirado / redução de 
volume devido ao rebaixamento
Propriedades Hidrogeológicas
Porosidade efetiva (ηe)
t
e V
V
D=h
Onde:
ηe = porosidade efetiva
VD = volume de água drenada por gravidade
Vt = volume total
1 m
1 m
1 m
0,1 m
Nível de 
saturação 
inicial
Nível de 
saturação 
final
Volume drenado
3
3
1m
0,1m
=eh 10%0,1==eh\
Propriedades Hidrogeológicas
Q
Vb
Vb = Q.t
Vbà volume
bombeado no tempo t
Vr
Vrà volume rebaixado por
causa do bombeamento
Aquífero freático à porosidade aparente ou coeficiente de
armazenamento (S)
Propriedades Hidrogeológicas
S = Vb / Vr
— Aquífero freático
Nos aquíferos livres o valor do coeficiente de 
armazenamento coincide praticamente com o 
valor da porosidade eficaz, seu valor 
costumando oscilar entre 0,01 e 0,04. 
Propriedades Hidrogeológicas
Propriedades Hidrogeológicas
— Aquífero confinado
Armazenamento específico ou armazenabilidade 
específica (SS) à volume retirado por unidade de 
volume do aquífero, resultante do decréscimo de 
carga piezométrica de 1 m.c.a.
Coeficiente de armazenamento (S) à semelhante 
ao anterior à aquífero de área unitária e 
espessura constante b
q Armazenabilidade Þ coeficientes de armazenamento
— Aquífero confinado
SS e S dependem dos coeficientes de
compressibilidade da água (b) e da
estrutura de sedimento que compõe o meio
poroso (a)à SS = r.g.h.(a + b)
S = SS.b
βà para a faixa de temperaturas de água subterrâneas usualmente 
encontradas à constante e igual a 4,4 x 10-10m2/N
Propriedades Hidrogeológicas
Coeficiente de Armazenamento (S)
•Volume de água liberado por uma unidade de área do aqüífero quando a linha piezométrica abaixa 1m
1m
a) freáticos
aqüiclude
1m
A=1m2
aqüífero
Nível da água
A=1m2
Superfície 
potenciométrica
b) confinado
S = Ss . b
Propriedades Hidrogeológicas
Exercício
Na figura, dois aquíferos 
estão superpostos, sendo que
o aquífero 1 é livre, formado
por areias limpas e com
coeficientes de porosidade
iguais a:
Porosidade total à h = 30%
Porosidade eficaz ou efetiva 
à he = 20% 
Calcular o volume total de
água armazenada no aquífero 1
e o volume total de água
extraível por bombeamento 
deste aquífero
Exercício
Aquífero livre à Se h = 30%, significa que, no volume total
saturado Vt, 30% é composto por água
Vt = 10 . 2.000 . 50.000 = 109 m3à Vágua = 0,3 . 109 = 3.108 m3
Por outro lado, se he = 20% , significa que, em Vt, 20% é
composto por Água que pode ser drenada por gravidade
Vd = 0,2 . 109 = 2.108 m3
Vol. retido após drenagem por gravidade: Vr = Vágua - Vd = 108 m3 
à Este volume retido representa a capacidade de campo
Observe que Vr/Vt = 108 / 109 m3 / m3 = 0,1 = 0,3 – 0,2 = h – he
Através de um poço de bombeamento, retirou-se vazão constante Q = 100
m3/h. Observou-se o rebaixamento do nível da água com 2 poços de
observação a 50 e 100m do primeiro. Inicialmente a superfície piezométrica
estava na cota 100m; após 20 horas de bombeamento as cotas nos poços de
observação estabilizaram nas cotas 99,3 e 99,8m. Admitindo que o cone de
depressão pode ser expresso por uma função exponencial, determine S.
s = s0.a-r
Exercício
r1
r2
Q = cte
rp
Solo
Linha Piezométrica
Impermeável
h2
h1 hr
Exercício
Durante 20 horas, foram bombeados 100 m3/h . 20 h = 2.000 m3
Volume dV = dA.s = 2.p.r.s dr à da equação s = s0.a-r :
Volume rebaixado
Os valores dos coeficientes a e s0 são obtidoscom os pontos
(s,r): (0,70m, 50,0m) e (0,20m, 100,0m) à a = 1,025 e
s0 = 24,1m 
Assim, V = 12.617 m3à S = 2.000 m3 / 12.617 m3 = 0,158
20
0
r
0 [ln(a)]
1s2drars2V ×××=××××= ò
¥
- ππ
Propriedades Hidrogeológicas
q Condutividade Hidráulica K Þ medida da habilidade de 
um aqüífero conduzir água através do meio poroso; é 
expressa em m/dia, m/s, mm/h [K = v/(dh/dx)].
— Condutividade Hidráulica é a não resistência ao fluxo, por 
exemplo:
— Na areia a velocidade do fluxo é maior, então K é maior
— Na argila a velocidade do fluxo é menor, então o K é 
menor
Propriedades Hidrogeológicas
q Trasmissividade T Þ taxa volumétrica de fluxo através de 
uma secção de espessura “b”
T = K . b
Onde: T é a coeficiente de transmissividade (m2/s)
K é a condutividade hidráulica (m/dia; m/s);
b é a espessura do aqüífero confinado (m). 
b
Lei de Darcy
Hipóteses:
• escoamento permanente (Q = constante)
• meio homogêneo e isotrópico saturado ( mesmo solo e
mesmas propriedades nas três direções
Kx = Ky = Kz = Ks = K
K
Q
QL
DH
Lei de Darcy
Perda de carga = decréscimo na carga hidráulica pela dissipação de energia 
devida ao atrito no meio poroso.
O sinal negativo denota que a carga diminui a medida que x aumenta
— A Lei de Darcy rege o escoamento da água nos solos 
saturados e é representada pela seguinte equação: 
Onde:
V = velocidade da água através do meio poroso;
K = condutividade hidráulica saturada
dh = variação de Carga Piezométrica
dx = variação de comprimento na direção do fluxo dh/dx = perda de carga
dx
dhKV ×-=
— Q = fluxo de água (m3/s)
— A = área (m2)
— H = carga (m)
— L = distância (m)
— K = condutividade hidráulica (m/s)
dx
dhAKQ ××=
Lei de Darcy
Q
Nível constante
L
Δh
L
)h(hKAQ 21 -=
h1= carga hidráulica no piezômetro 1 [L]
h2= carga hidráulica no piezômetro 2 [L]
Z1 = carga hidráulica no piezômetro 1 [L]
Z2 = carga hidráulica no piezômetro 2 [L]
Q = vazão constante que passa pelo cilindro [L3T-1]
A = área da seção transversal do cilindro[L2]
Δh = variação de carga hidráulica entre os piezômetros 1 e 2 [L]
L = distância entre os piezômetros 1 e 2 [L]
K = coeficiente de proporcionalidade, chamado de 
condutividade hidráulica [L/T]
Lei de Darcy
A= l .h
v = k . dh/dx
dhhlKdxQ ×××-=×
Q = v. A 
Q = (k.dh/dx).(l.h)
Q = k.l.h.dh/dx
Integrando:
l
Qh1 h h2
L
Δh
As cargas h1 e h2
são avaliadas 
através de 
piezômetros
òò ×××-=×
2
1
h
h
L
0
dhhlKdxQÞ
Q = k.l.(h12 - h22)/(2.L)
Lei de Darcy (Aquífero Livre)
Algumas Definições Importantes
§ Perda de Carga: Decréscimo na carga hidráulica causada 
pela dissipação de energia (fricção no meio poroso)
§ Para o aquífero livre (ou freático):
§ Nível Freático ou Nível de Água (NA): Altura da água de 
um aquífero não-confinado, freático ou livre medida num 
poço de observação.
§ Superfície Freática: Superfície cujos pontos em relação 
igual ao nível de água no aquífero freático.
1. Calcule a vazão no aqüífero livre.
Dados: K= 1 x 10-3 m/s e
I = 10m
1 2
L= 780m
15m 18m
Impermeável
Datum
10m 7m
Exercício Q = k.l.(h12 - h22)/(2.L)
h1 = 10m
h2 = 7m
Q = 0,00032 m3/s
Q = V . A
Q =[ K . dh/dx] . A
Como: A = l . b , então:
Q = K . l . b . dh/dx
Integrando:
As cargas h1 e h2
são avaliadas 
através de 
manômetros
l
Q
h1 h2
L
Δh
b
dhblKdxQ ×××-=× òò ×××-=×
2
1
h
h
L
0
dhblKdxQÞ
Q = k.l.b.(h1 - h2)/L
Lei de Darcy (Aquífero Confinado)
§ Perda de Carga: Decréscimo na carga hidráulica causada 
pela dissipação de energia (fricção no meio poroso).
§ Para o Aquífero Confinado:
§ Carga Piezométrica ou Altura Piezométrica: Altura da 
água de um aquífero confinado medida num piezômetro 
em relação ao fundo do aqüífero (z + P/g).
§ Superfície Piezométrica: Superfície cujos pontos estão 
em elevação igual à altura piezométrica
Algumas Definições Importantes
2. Calcule a vazão no aqüífero confinado.
Dados: K= 1 x 10-3 m/s
l = 10m
Impermeável
Datum
1 2
L= 780m
10m 13m
5m
Exercício Q = k.l.b.(h1- h2)/L
h1 - h2 = 3m
b = 5m
Q = 0,0019 m3/s
Propriedades Hidrogeológicas de 
aquíferos nacionais
Propriedades Hidrogeológicas de 
aquíferos nacionais
Bacia sedimentar do Paraná 
à grande volume 
armazenado à formação 
Botucatu é o principal aquífero 
K entre 0,03 a 0,10 m/h
T entre 12 e 40 m2/h
S entre 10-3 e 10-5
Propriedades Hidrogeológicas de 
aquíferos nacionais
Propriedades Hidrogeológicas de 
aquíferos nacionais
Propriedades Hidrogeológicas de 
aquíferos nacionais