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Águas Subterrâneas e hidráulica de poços Prof. Joãozito Amorim Júnior joaozito.amorim@ufes.br Lattes: http://lattes.cnpq.br/5281523405706271 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 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 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 São acumulações de águas sobre aquicludes, na zona insaturada, formando níveis lentiformes de aqüíferos livres acima do nível freático principal Confinados 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 Ambientaissobre 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 DESPREZÍVEL 0,1 – 0,3 BAIXA 0,3 – 0,5 MODERADA 0,5 – 0,6 ALTA G D O MAPA DE VULNERABILIDADE Impactos Ambientais sobre os aquíferos Área de cultivo Legenda: 0,0 – 0,1 DESPREZÍVEL 0,1 – 0,3 BAIXA 0,3 – 0,5 MODERADA 0,5 – 0,6 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 Porosidade razão entre o volume de vazios e o volume total totalVolume vaziosVolume 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 Umidade ou retenção ou conteúdo volumétrico da água 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 águaVolume θ Varia de zero (meio poroso completamente seco) até o valor máximo (porosidade) curva de retenção tende para um valor constante, quando a pressão capilar aumenta indefinidamente. O valor de para o qual d /dc 0 é chamado retenção específica r Propriedades Hidrogeológicas Umidade = 0 meio Poroso completamente seco = r retenção específica = todos os poros preenchidos por água r parâmetro razoavelmente constante, sobretudo para areias e cascalhos Propriedades Hidrogeológicas Armazenabilidade coeficientes de armazenamento Aquífero freático porosidade efetiva ou eficaz ou produção específica ou ainda capacidade específica (ηe) volume drenável por gravidade / volume total porosidade aparente ou coeficiente de armazenamento (S) volume retirado / redução de volume devido ao rebaixamento Propriedades Hidrogeológicas Porosidade efetiva (ηe) t e V V D 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 e 10%0,1e Propriedades Hidrogeológicas Q Vb Vb = Q.t Vb volume bombeado no tempo t Vr Vr volume rebaixado por causa do bombeamento Aquífero freático 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) volume retirado por unidade de volume do aquífero, resultante do decréscimo de carga piezométrica de 1 m.c.a. Coeficiente de armazenamento (S) semelhante ao anterior aquífero de área unitária e espessura constante b Armazenabilidade 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) SS = r.g..(a + b) S = SS.b β para a faixa de temperaturas de água subterrâneas usualmente encontradas 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 = 30% Porosidade eficaz ou efetiva e = 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 Se = 30%, significa que, no volume total saturado Vt, 30% é composto por água Vt = 10 . 2.000 . 50.000 = 109 m3 Vágua = 0,3 . 109 = 3.108 m3 Por outro lado, se e = 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 Este volume retido representa a capacidade de campo Observe que Vr/Vt = 108 / 109 m3 / m3 = 0,1 = 0,3 – 0,2 = – e 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 da equação s = s0.a-r : Volume rebaixado Os valores dos coeficientes a e s0 são obtidos com os pontos (s,r): (0,70m, 50,0m) e (0,20m, 100,0m) a = 1,025 e s0 = 24,1m Assim, V = 12.617 m3 S = 2.000 m3 / 12.617 m3 = 0,158 20 0 r 0 [ln(a)] 1s2drars2V ππ Propriedades Hidrogeológicas Condutividade Hidráulica K medida da habilidade de um aqüíferoconduzir 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 Trasmissividade T 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 H 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 2 1 h h L 0 dhhlKdxQ 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: Q = k.l.(h12 - h22)/(2.L) K= 1 x 10-3 m/s e I = 10m h1 = 10m h2 = 7m 1 2 L= 780m 15m 18m Impermeável Datum 10m 7m Exercício 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 2 1 h h L 0 dhblKdxQ 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/). 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 Q = k.l.b.(h1- h2)/L h1 - h2 = 3m b = 5m Impermeável Datum 1 2 L= 780m 10m 13m 5m Exercício Q = 0,0019 m3/s Propriedades Hidrogeológicas de aquíferos nacionais Propriedades Hidrogeológicas de aquíferos nacionais Bacia sedimentar do Paraná grande volume armazenado 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
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