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�����"�������������� ��� ������������ ������� �������� � � � � � � � � �� ��� �'���� ���������������(�������$� ������������� ��� �� � � � � � � � ����������� � � 1 Introdução 1 1.1 Água subterrânea, a Terra e o Homem 2 ÁGUA SUBTERRÂNEA E O CICLO HIDROLÓGICO 3 ÁGUAS SUBTERRÂNEAS COMO UM RECURSO 6 CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS 9 ÁGUA SUBTERRÂNEA COMO UM PROBLEMA GEOTÉCNICO 10 ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E PROCESSOS GEOLÓGICOS 11 1.2 Embasamentos Científicos para o Estudo de Águas Subterrâneas 12 1.3 Embasamentos Técnicos para o Desenvolvimento de Recursos de Águas Subterrâneas 14 2 Propriedades e Princípios Físicos 1 2.1 Lei de Darcy 17 2.2 Carga Hidráulica e Potencial de Fluido 20 ANÁLISE DO POTENCIAL DE FLUIDO DE HUBBERT 20 DIMENSÕES E UNIDADES 25 PIEZÔMETROS E PIEZÔMETROS MULTINÍVEIS 26 FLUXO ACOPLADO 28 2.3 2.4 Condutividade Hidráulica e Permeabilidade 29 Heterogeneidade e Anisotropia da Condutividade Hidráulica 33 HOMOGENEIDADE E HETEROGENEIDADE 33 ISOTROPIA E ANISOTROPIA 35 LEI DE DARCY EM TRÊS DIMENSÕES 38 ELIPSÓIDE DA CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA 39 2.5 Porosidade e Índice de Vazio 40 16 2.6 Fluxo Insaturado e Nível Freático 42 TEOR DE UMIDADE 43 NÍVEL FREÁTICO 43 CARGAS DE PRESSÕES NEGATIVAS E TENSIÔMETROS 43 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE PARÂMETROS HIDRÁULICOS INSATURADOS 46 ZONAS SATURADAS, INSATURADAS E SATURADAS POR TENSÃO 49 NÍVEIS FREÁTICOS INVERTIDOS E SUSPENSOS 50 FLUXO MULTIFÁSICO 51 2.7 Aquíferos e Aquitardes 52 AQUÍFEROS, AQUITARDES E AQUICLUDES 53 AQUÍFEROS CONFINADOS E LIVRES 54 SUPERFÍCIE POTENCIOMÉTRICA 55 2.8 2.9 Fluxo de Estado Estacionário e Fluxo Transiente 55 Compressibilidade e Tensão Efetiva 58 COMPRESSIBILIDADE DA ÁGUA 59 TENSÃO EFETIVA 59 COMPRESSIBILIDADE DE UM MEIO POROSO 61 COMPRESSIBILIDADE DO AQUÍFERO 64 TENSÃO EFETIVA EM UMA ZONA INSATURADA 65 2.10 Transmissividade e Armazenamento 66 ARMAZENAMENTO ESPECÍFICO 67 TRANSMISSIVIDADE E ARMAZENAMENTO DE UM AQUÍFERO CONFINADO 68 TRANSMISSIVIDADE E RENDIMENTO ESPECÍFICO EM AQUÍFEROS LIVRES 69 ARMAZENAMENTO NA ZONA INSATURADA 71 2.11 Equações de Fluxo de Água Subterrânea 71 FLUXO SATURADO DE ESTADO ESTACIONÁRIO 72 FLUXO TRANSIENTE SATURADO 74 FLUXO TRANSIENTE INSATURADO 76 PROBLEMAS DE VALORES DE CONTORNO 76 2.12 Limitações de Abordagem Darciana 78 CONTINUUM DARCIANO E VOLUME ELEMENTAR REPRESENTATIVO 79 VAZÃO ESPECÍFICA, VELOCIDADE MACROSCÓPICA E VELOCIDADE MICROSCÓPICA 80 LIMITES SUPERIORES E INFERIORES DA LEI DE DARCY 82 FLUXO EM ROCHAS FRATURADAS 83 2.13 Dispersão Hidrodinâmica 85 3 Propriedades e Princípios Químicos 91 3.1 Água Subterrânea e Seus Constituintes Químicos 93 ÁGUA E ELETRÓLITOS 93 CONSTITUINTES ORGÂNICOS 98 GASES DISSOLVIDOS 98 UNIDADES DE CONCENTRAÇÃO 99 3.2 Equilíbrio Químico 101 LEI DE AÇÃO DAS MASSAS 101 COEFICIENTES DE ATIVIDADE 102 EQUILÍBRIO E ENERGIA LIVRE 103 GASES DISSOLVIDOS 108 3.3 Associação e Dissociação de Espécies Dissolvidas 109 A CONDIÇÃO DE ELETRONEUTRALIDADE 109 DISSOCIAÇÃO E ATIVIDADE DA ÁGUA 110 ÁCIDOS POLIPRÓTICOS 112 ÍONS COMPLEXOS 114 CÁLCULO DE ESPÉCIES DISSOLVIDAS 116 3.4 3.5 Efeitos dos Gradientes de Concentração 117 Dissolução e Solubilidade Mineral 120 SOLUBILIDADE E A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO 120 EFEITO DA INTENSIDADE IÔNICA 122 O SISTEMA CARBONATO 123 O EFEITO DO ÍON COMUM 127 DESEQUILÍBRIO E ÍNDICE DE SATURAÇÃO 129 3.6 Processos de Oxidação e Redução 130 ESTADOS DE OXIDAÇÃO E REAÇÕES REDOX 130 CONSUMO DE OXIGÊNIO E MATÉRIA ORGÂNICA 132 CONDIÇÕES REDOX DE EQUILÍBRIO 135 FATORES MICROBIOLÓGICOS 138 DIAGRAMAS PE-PH 139 3.7 Troca de Íons e Adsorção 144 MECANISMOS 144 CAPACIDADE DE TROCA CATIÔNICA 145 EQUAÇÕES DA AÇÃO DE MASSAS 147 3.8 Isótopos Ambientais 152 CARBONO-14 152 TRÍTIO 154 OXIGÊNIO E DEUTÉRIO 155 3.9 Medida a Campo de Parâmetros Indexadores 157 4 Geologia da Água Subterrânea 163 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Litologia, Estratigrafia e Estrutura 164 Depósitos Fluviais 166 Depósitos Eólicos 168 Depósitos Glaciais 169 Rochas Sedimentares 172 ARENITOS 172 ROCHAS CARBONÁTICAS 175 CARVÃO 178 FOLHELHO 179 4.6 4.7 Rochas Ígneas e Metamórficas 179 Permafrost 185 5 Redes de Fluxo 189 5.1 Redes de Fluxo por Construção Gráfica SISTEMAS HOMOGÊNEOS ISOTRÓPICOS 191 190 SISTEMAS HETEROGÊNEOS E A LEI DA TANGENTE 195 SISTEMAS ANISOTRÓPICOS E A SEÇÃO TRANSFORMADA 197 5.2 Redes de Fluxo por Simulação Analógica 203 ANALOGIA COM PAPEL CONDUTOR 204 ANALOGIA POR REDE DE RESISTÊNCIA 205 5.3 5.4 5.5 Rede de Fluxo por Simulações Numéricas 206 Redes de Fluxo em Meio Saturado-Não Saturado 211 A Superfície de Infiltração e o Fluxo de Dupuit 213 FACE DE INFILTRAÇÃO, PONTO DE SAÍDA E SUPERFÍCIE LIVRE 213 TEORIA DUPUIT-FORCHHEIMER DE UM FLUXO DE SUPERFÍCIE LIVRE 215 6 Água Subterrânea e o Ciclo Hidrológico 219 6.1 Fluxo de Água Subterrânea Regional de Estado Estacionário 220 ÁREAS DE RECARGA, DESCARGA E DIVISORES DE ÁGUA SUBTERRÂNEA 220 EFEITO DA TOPOGRAFIA NO SISTEMA DE FLUXO REGIONAL 223 EFEITO DA GEOLOGIA NO SISTEMAS DE FLUXO REGIONAL 225 POÇOS ARTESIANOS DE FLUXO CONSTANTE 227 MAPEAMENTO DO SISTEMA DE FLUXO 228 6.2 Balanço Hídrico em Regime Estacionário 232 INTERPRETAÇÃO QUANTITATIVA DE SISTEMAS DE FLUXOS REGIONAIS 232 RECARGA E DESCARGA DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS COMO COMPONENTES DE UM BALANÇOHÍDRICO 234 6.3 6.4 Fluxo de Águas Subterrâneas Regional Transitório 237 Infiltração e Recarga de Água Subterrânea 241 A TEORIA DA INFILTRAÇÃO 241 MEDIDAS NO CAMPO (IN SITU) 245 6.5 Hidrologia de Encosta e Geração de Escoamento Superficial 248 ESCOAMENTO SUPERFICIAL 249 FLUXO DE SUBSUPERFÍCIE 250 INDICADORES QUÍMICOS E ISOTÓPICOS 253 6.6 6.7 6.8 Recessão do Escoamento de Base e Armazenamento de Margens 256 Interações Entre as Águas Subterrâneas e Um Lago 259 Flutuações nos Níveis da Água Subterrânea 262 EVAPOTRANSPIRAÇÃO E CONSUMO FREATOFÍTICO 263 APRISIONAMENTO DE AR DURANTE A RECARGA 264 EFEITOS DA PRESSÃO ATMOSFÉRICA 266 CARGAS EXTERNAS 267 INTERVALO DE TEMPO EM PIEZÔMETROS 267 7 Evolução Química das Águas Subterrâneas Naturais 1 7.1 Sequências Hidroquímicas e Fácies 272 QUÍMICA DA PRECIPITAÇÃO 273 GÁS CARBÔNICO NO SOLO EVOLUÇÃO 274 DOS ÍONS MAIORES 276 271 SEQUÊNCIA DE EVOLUÇÃO ELETROQUÍMICA 280 7.2 7.3 Métodos Gráficos e Fácies Hidroquímicas 283 Água Subterrânea em Terrenos Carbonático 289 DISSOLUÇÃO EM SISTEMA ABERTO 290 SISTEMA FECHADO 292 DISSOLUÇÃO INCONGRUENTE 294 OUTROS FATORES 296 INTERPRETAÇÃO DE ANÁLISES QUÍMICAS 298 7.4 Águas Subterrâneas em Rochas Cristalinas 307 CONSIDERAÇÕES TEÓRICAS 307 EXPERIMENTOS LABORATORIAIS 312 INTERPRETAÇÃO DOS DADOS DE CAMPO 314 7.5 Água Subterrânea em Sistemas Sedimentares Complexos 318 ORDEM DE ENCONTRO 319 COMPOSIÇÃO DA ÁGUA EM DEPÓSITOS GLACIAIS 323 ÁGUAS SUBTERRÂNEAS EM ROCHAS SEDIMENTARES ESTRATIFICADAS 326 7.6 7.7 7.8 Interpretação Geoquímica a Partir da Datação com 14 C 330 Efeitos-Membrana em Bacias Sedimentares Profundas 333 Taxas de Processos e Difusão Molecular 336 8 Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos 1 8.1 Desenvolvimento dos Recursos Hídricos Subterrâneos 345 PROSPECÇÃO, AVALIAÇÃO E EXPLOTAÇÃO 345 RENDIMENTO DO POÇO, RENDIMENTO DO AQUÍFERO E RENDIMENTO DA BACIA 346 8.2 Prospecção de Aquíferos 347 MÉTODOS GEOLÓGICOS DE SUPERFÍCIE 348 MÉTODOS GEOLÓGICOS DE SUBSUPERFÍCIE 349 MÉTODOS GEOFÍSICOS DE SUPERFÍCIE 349 MÉTODOS GEOFÍSICOS DE SUBSUPERFÍCIE 351 PERFURAÇÃO E INSTALAÇÃO DE POÇOS E PIEZÔMETROS 354 8.3 A Resposta ao Bombeamento dos Aquíferos Ideais 356 FLUXO RADIAL A UM POÇO 357 A SOLUÇÃO DE THEIS 359 AQUÍFEROS SEMICONFINADOS 362 AQUÍFEROS LIVRES 366 SISTEMAS DE POÇOS MÚLTIPLOS, ENSAIOS DE BOMBEAMENTO ESCALONADO, ENSAIOS DE RECUPERAÇÃO E POÇO PARCIALMENTE PENETRANTE 370 AQUÍFEROS COM FRONTEIRAS HIDRÁULICAS 372 A RESPOSTA DE AQUITARDES IDEAIS 375 O MUNDO REAL 377 8.4 Determinação de Parâmetros: Testes de Laboratório 378 CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA 378 POROSIDADE 380 COMPRESSIBILIDADE 380 CURVAS CARACTERÍSTICAS DO MEIO NÃO SATURADO 382 8.5 8.6 Determinação de Parâmetros: Ensaios em Piezômetros 382 Determinação de Parâmetros: Testes de Bombeamento 386 AJUSTE DE CURVAS DO TIPO LOG-LOG 387 GRÁFICOS SEMILOGARÍTMICOS 391 344 VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS TESTES DE BOMBEAMENTO 393 8.7 8.8 Estimativa da Condutividade Hidráulica Saturada 394 Predição da Produtividade do Aquífero por Simulação Numérica 396 MÉTODO DE DIFERENÇAS-FINITAS 396 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS 400 CALIBRAÇÃO DO MODELO E O PROBLEMA INVERSO 401 8.9 Previsão da Produção em Aquífero Usando Simulação por Analogia 403 ANALOGIA ENTRE FLUXO ELÉTRICO E FLUXO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS 404 REDE RESISTÊNCIA-CAPACITÂNCIA 405 COMPARAÇÃO DE SIMULAÇÃO POR ANALOGIA E COMPUTACIONAL 407 8.10 Rendimento da Bacia 408 RENDIMENTO SEGURO E RENDIMENTO IDEAL DE UMA BACIA HIDROGEOLÓGICA 408 RENDIMENTO HIDROLÓGICO TRANSIENTE E O RENDIMENTO DA BACIA HIDROGEOLÓGICA 409 8.11 8.12 Recarga Artificial e Infiltração Induzida 412 Subsidência de Terrenos 415 MECANISMO DO PROCESSO DE SUBSIDÊNCIA 415 MEDIÇÕES DE SUBSIDÊNCIA DE TERRENOS EM CAMPO 418 8.13 Intrusão Salina 420 9 Contaminação de Água Subterrânea 1 9.1 Padrões de Qualidade da Água 9.2 Processos de Transporte CONSTITUINTES NÃO REATIVOS EM MEIO HOMOGÊNEO CONSTITUINTES NÃO REATIVOS EM MEIO HETEROGÊNEO TRANSPORTE DE CONSTITUINTES REATIVOS TRANSPORTE EM MEIO FISSURADO 9.3 Comportamento Hidroquímico de Contaminantes NITROGÊNIO METAIS TRAÇOS NÃO METAIS SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS 9.4 Medição de Parâmetros DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE DISPERSIVIDADE PARTICIONAMENTO QUÍMICO 9.5 Fontes de Contaminação DESCARTE DE RESÍDUOS SÓLIDOS DISPOSIÇÃO DE ESGOTO EM SUPERFÍCIE ATIVIDADES AGRÍCOLAS VAZAMENTOS E DERRAMAMENTOS DE PETRÓLEO DISPOSIÇÃO DE RESÍDUOS RADIOATIVOS DESCARTE DE RESÍDUOS LÍQUIDOS EM POÇOS PROFUNDOS OUTRAS FONTES 10 Água Subterrânea e Problemas Geotécnicos 1 10.1 Poro-pressões, Escorregamentos e Estabilidade de Taludes TEORIA DE RUPTURA DE MOHR-COULOMB MÉTODOS DO EQUILÍBRIO LIMITE NA ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDES O EFEITO DAS CONDIÇÕES HIDROGEOLÓGICAS NA ESTABILIDADE DE TALUDES DE SOLO EFEITO DAS CONDIÇÕES DA ÁGUA SUBTERRÂNEA NA ESTABILIDADE DE TALUDES EM ROCHAS 10.2 Água Subterrânea e Barragens TIPOS DE BARRAGENS E RUPTURAS DE BARRAGENS PERCOLAÇÃO EM BARRAGENS DE CONCRETO IMPERMEABILIZAÇÃO E DRENAGEM DAS FUNDAÇÕES DE BARRAGENS PERCOLAÇÃO EM FLUXO ESTACIONÁRIO ATRAVÉS DE BARRAGENS DE TERRA FLUXO ESTACIONÁRIO POR BARRAGENS DE TERRA IMPACTOS HIDROGEOLÓGICOS EM RESERVATÓRIOS 10.3 Entrada de Água Subterrânea em Túneis UM TÚNEL COMO DRENO EM ESTADO ESTACIONÁRIO OU TRANSITÓRIO RISCOS HIDROGEOLÓGICOS NA ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS ANÁLISE PREDITIVA DAS ENTRADAS DE ÁGUA SUBTERRÂNEA EM TÚNEIS 10.4 Afluxo de Água Subterrânea para Dentro de Escavações DRENAGEM E DESAGUAMENTO DE ESCAVAÇÕES ANÁLISE PREDITIVA DO AFLUXO DE ÁGUA SUBTERRÂNEA PARA DENTRO DE ESCAVAÇÕES 11 Água Subterrânea e Processos Geológicos 1 11.1 Água Subterrânea e Geologia Estrutural A TEORIA HUBBERT-RUBEY DE FALHAS DE CAVALGAMENTO PREVISÃO E CONTROLE DE TERREMOTOS 11.2 Água Subterrânea e Petróleo MIGRAÇÃO E ACUMULAÇÃO DE PETRÓLEO APRISIONAMENTO HIDRODINÂMICO DO PETRÓLEO SISTEMA DE FLUXO REGIONAL E ACUMULAÇÃO DE PETRÓLEO IMPLICAÇÕES PARA A EXPLORAÇÃO DE PETRÓLEO 11.3 Água Subterrânea e Processos Termais REGIMES TERMAIS EM ÁGUAS SUBTERRÂNEAS NATURAIS SISTEMAS DE FLUXO SISTEMAS GEOTERMAIS POSICIONAMENTO DE PLUTÔNIO 11.4 Águas Subterrâneas e Geomorfologia CARSTES E CAVERNAS DESENVOLVIMENTO NATURAL DA DECLIVIDADE PROCESSOS FLUVIAIS PROCESSOS GLACIAIS 11.5 Águas Subterrâneas e Mineralização Econômica GÊNESE DOS DEPÓSITOS MINERAIS ECONÔMICOS IMPLICAÇÕES PARA A EXPLORAÇÃO GEOQUÍMICA Apêndices I II III IV V VI VII VIII IX X Elementos de Mecânica dos Fluidos Equação para Escoamento Transiente em Meios Saturados Deformáveis Exemplo de uma Solução Analítica para um Problema de Valor de Contorno Equação de Debye-Hückel e Tabela Kielland para Coeficientes de Atividade Iônica Função Erro Complementar (erfc) Desenvolvimento de Equação de Diferenças Finitas para Escoamento Estacionário em Meio Homogêneo Isotrópico Solução Analítica de Toth para o Escoamento Subterrâneo Regional Solução Numérica do Problema de Valor de Contorno Representando Infiltração Unidimensional em um Sistema de Escoamento de Águas Subterrâneas com Recarga Desenvolvimento da Equação de Diferenças Finitas para o Escoamento Transiente em um Aquífero Heterogêneo, Anisotrópico, Horizontal e Confinado Derivação da Equação de Advecção-Dispersão para Transporte de Solutos em Meio Poroso Referências Índice �������� �� ����������������� ���� �������������� ����������������� � � �� � �� � � � � � ���� ����������!������������ ����������� ���������"�������������������� � � � � � � � � � � � ���������� ����� ������� �������!����������� �����!�� ���������#��������� � � � � �� � � � � � � ������� ���� ������������$��� �������� �������������#����!�%�&��� ������������ � � �� � � � � �� � �������� �������� ����� ����� ���������������'����������(� ��������� � � � � � � � � � � � � � �� ������� ���� �� ������� !���� ����� ��� ������������������ ����� )�� ����� � � � � � � � � � � ����������� ������ ���������� 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É sobre o ambientes geológicos que controlam a ocorrência das águas subterrâneas. Sobre as leis físicas que descrevem o fluxo das águas subterrâneas. É sobre a evolução química que acompanha seu fluxo. É também sobre a influência do homem no regime natural das águas subterrâneas; e sobre a influência do regime natural das águas subterrâneas sobre o homem. O termo água subterrânea é normalmente reservado à água subsuperficial que encontra-se abaixo do nível freático em solos e formações geológicas que estão totalmente saturados. Devemos manter esta definição clássica, mas o fazemos com pleno reconhecimento de que o estudo deve basear-se numa compreensão do regime das águas subterrâneas num sentido mais amplo. Nossa abordagem será compatível com a ênfase tradicional no fluxo superficial e subterrâneo; mas também irá englobar o regime de umidade de solo superficial, não saturado, que desempenha um papel importante no ciclo hidrológico, e incluirá os regimes muito mais profundos e saturados e que tem fundamental influência em muitos processos geológicos. Vemos o estudo das águas subterrâneas como de natureza interdisciplinar. Há uma tentativa consciente neste texto de integrar a química e física, geologia e hidrologia, e a ciência e engenharia em um grau maior do que foi feito no passado. O estudo das águas subterrâneas é pertinente aos geólogos, hidrólogos, pedólogos, engenheiros agrônomos, silvicultores, geógrafos, ecologistas, engenheiros geotécnicos, engenheiros � � � ������� ��������� ������� � �� � ���������������������������� �!��������"�� ���������#���$� ��!"����$��#�#�"��� ��� � � � �� �� �� � �% ���&'�$������(%������ �� ���� ��� ���% �!����� �)������ ����*�������� � � � � � � � � � � ��$"�������*�������������� �����*�$"������&� +��� �"�#�� �#����������*�� �%����!*���� ��!�� ���� �� ���(%���� � � � � � � � � � � � �� ������� ���!�%��%, ����-���*���%���*%���&.���*������������!$�*� ������� � � � � � � � � � � �� ��������,����������"�#�����*�� �������$��/!�����0"� ����������*���������&� � � � � � � � � � � '"����1� �2�� ������#�"#���� ����,�� �*���� ����!�%�� ��#�!���$�������� �� � � � � � � � �� � *�!"*%"���$���%�������(%/!1���&3�$��,"�������!�%��%, ����-���#�� ��*��� �������� � � � � � �� � � � � � � �(%�"��(%������������$���%����&3���$�* 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É igualmente importante que seja estabelecido também o que não pretendemos abranger neste primeiro momento. Como a maioria das ciências aplicadas, o estudo das águas subterrâneas pode ser dividido em três grandes aspectos: ciência, engenharia e tecnologia. Este livro coloca uma grande ênfase sobre os princípios científicos; inclui muito a forma de análise associada à engenharia; não é de forma alguma um manual sobre tecnologia. Em relação aos assuntos técnicos que não serão discutidos detalhadamente estão: métodos de perfuração; projeto, construção e manutenção de poços; levantamentos geofísicos e amostragem. Todos esses temas são conhecimentos necessários para embasamento do especialista pleno em águas subterrâneas, entretanto são tratados de forma mais aprofundada em outras literaturas específicas, além de serem aprendidas de melhor forma por meio da experiência prática do que por memorização mecânica. Existem diversas bibliografias (BRIGGS e FIEDLER, 1966; GIBSON e SINGER, 1971; CAMPBELL e LEHR, 1973; U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, 1973a, 1976) que oferecem descrições técnicas sobre os vários tipos de equipamentos para perfuração de poços. Também contém informações sobre o projeto e configuração filtro, seleção e instalação de bombas e construção e manutenção de poços. No tema de perfilagem geofísica, a maior referência na indústria do petróleo, onde surgiu a maior parte das técnicas, é Pirson (1963). Patten e Bennett (1963) discutem as várias técnicas, em especial sobre a exploração da água subterrânea. Faremos uma breve menção à perfuração e à perfilagem de poço no Capítulo 8.2, entretanto o leitor que se interessar por um grande número de exemplos de históricos de casos de avaliação de recursos de água subterrânea, deve dirigir-se a Walton (1970). Há um outro aspecto do estudo da água subterrânea cujo teor é técnico, porém em um sentido diferente, não abordado neste texto. Referimo-nos ao tema da legislação de águas subterrâneas. O desenvolvimento e a gestão dos recursos hídricos subterrâneos devem ter lugar garantido na estrutura do direito das águas estabelecido pela legislação em vigor. Essa legislação é geralmente estabelecida em nível federal e estadual, cujo resultado na América do Norte é uma colcha de retalhos de variadas tradições, direitos e estatudos. Piper (1960) e Dewsnut et al. (1973) avaliaram esse panorama nos Estados Unidos. Thomas (1958) chamou a atenção para alguns dos paradoxos que surgem dos conflitos entre a hidrologia e a legislação. � � � ������� ��������� ������� � ��� � ��������������������� ���� !"#"$%&'"�()*+,+-(./)012)343,+563/1"�./)7++8+9:55,03)�()*+,+-( 3)"!"#"��� � � � � � �� � � ��� �;+<"���=>?*.<@�0,, ���A3<���B+*8 ���55"���$"$@$"CC"� =>?DEAAFGG �"H"$%&I"#;3*+,3+9-*+J/)<.13*0/1;3/.10+/.,<.13*201J.10+/"D"G"?3+,"GJ*4"��� � � �� �� � � � � � � � �.13*@GJ55,(���K.53*���$LMM"� =DNN:B �"N"$%OI"�.13*J23 >+/2J6510+/ ./)+J1,++80/1;3D"G"0/$%OM"P":63*"�.13*� � � � � � � �� � �� �� � � �+*82���:22+>" ���&Q ���55"���IMC@IML"� A:�F N"H" 3)"$%O$"G>03/10R0>9*.63<+*8+9<+*,)<.13*7.,./>3"DAFG��#3>;"K.53*2�()*+,"��� � � � �� � � � � � � � O ���CO���55"� � Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos / Cap. 8 344 Patrocínio: Patrocínio: Apoio: Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos / Cap. 8 345 Tradutores: Alexandra Rodrigues Finotti, Ana Elisa Silva de Abreu, Anderson Luiz Ribeiro de Paiva, Alexandra Rodrigues Finotti, Bruno Gomes Leguizamon Bertoni, Eltiza Rondino Vasques, Francesco Antonelli, Gerson Cardoso da Silva Jr., Haiany Cristina Ribeiro de Miranda, Ingo Wanfried, João Alberto Oliveira Diniz, Julio Yasbek Reia, Katarina Rempel, Lucas de Queiroz Salles, Malva Andrea Mancuso, Mateus Delatim Simonato, Murilo Cesar Lucas, Otávio Coaracy Brasil Gandolfo, Rauan T. P. Souza, Victor Kovaski Cescani; Diego Nogueira (diagramação); Bianca Souza Krupinsk, Sueli Yoshinaga Pereira e Mirna Neves (líderes de capítulo); Rodrigo Lilla Manzione (gerente); Everton de Oliveira (coordenador). Nos sete primeiros capítulos deste livro examinamos os princípios físicos e químicos que regem o fluxo da água subterrânea e investigamos as relações existentes entre o ambiente geológico, o ciclo hidrológico e o fluxo natural da água subterrânea. Neste capítulo e nos dois que o seguem, trataremos das interações entre a água subterrânea e o homem. Examinaremos a utilização da água subterrânea como recurso, seu papel como agente de contaminação para o subsolo e vamos avaliar o papel que ela desempenha em uma variedade de problemas geotécnicos. 8.1 Desenvolvimento dos Recursos Hídricos Subterrâneos Prospecção, Avaliação e Explotação O desenvolvimento dos recursos hídricos subterrâneos pode ser visto como um processo sequencial de três fases principais. A primeira, consiste na fase de prospecção, Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos / Cap. 8 346 na qual técnicas geológicas e geofísicas de superfície e subsuperfície são utilizadas na busca de aquíferos adequados. A segunda fase, de avaliação, abrange a determinação de parâmetros hidrogeológicos, o projeto e análise de poços e o cálculo das potencialidades do aquífero. A terceira fase, de explotação ou gestão, deve incluir a consideração das melhores estratégias de desenvolvimento e avaliação das interações entre a explotação da água subterrânea e o sistema hidrológico regional. Vale a pena colocar essas três fases numa perspectiva histórica. Na América do Norte e Europa, quase todos os principais aquíferos já foram prospectados e estão sendo usados até certo ponto. A era da verdadeira prospecção dos aquíferos regionais está terminada. Estamos agora num período em que a avaliação detalhada dos aquíferos e uma gestão cuidadosa dos recursos conhecidos assumirá uma maior importância. O arranjo deste capítulo reflete a interpretação das necessidades atuais. Trataremos a prospecção de aquíferos em uma única seção e iremos enfatizar a avaliação e gestão da água subterrânea. Vamos supor que localizamos um aquífero com potencial aparente. O escopo dos estudos de avaliação e gestão dos recursos deve ser melhor indicado pela seguinte série de perguntas: 1. Onde os poços devem estar locados? Quantos poços são necessários? Qual a taxa de bombeamento eles podem suportar? 2. Qual será o efeito do bombeamento proposto nos níveis d’água regionais? 3. Qual a capacidade de produção do aquífero em longo prazo? 4. O desenvolvimento proposto terá alguma influência prejudicial sobre os outros componentes do ciclo hidrológico? 5. É provável que haja algum efeito colateral indesejável durante o desenvolvimento, como subsidência do terreno ou intrusão salina, que poderia servir como fator limitante para a produção de água? Este capítulo destina-se a fornecer a metodologia necessária para responder perguntas desse tipo. A medida e estimativa dos parâmetros hidrogeológicos são tratados nas Seções 8.4 a 8.7. Previsões de rebaixamento de um aquífero, a partir de um esquema de bombeamento pré-determinado, podem ser realizadas para situações simples com os métodos analíticos apresentados na seção 8.3. Ambientes hidrogeológicos mais complexos podem exigir a aplicação de técnicas de simulação numérica, tal como apresentado na Seção 8.8, ou técnicas analógicas elétricas, como mostrado na Seção 8.9. A subsidência do terreno será discutida na Seção 8.12 e a intrusão salina na Seção 8.13. Rendimento do Poço, Rendimento do Aquífero e Rendimento da Bacia As técnicas de avaliação dos recursos hídricos subterrâneos requerem um conceito do rendimento para a água subterrânea e, talvez surpreendentemente, isto consista num termo ambíguo e difícil de ser abordado. Certamente, o conceito é pertinente, pois um dos principais objetivos da maioria dos estudos sobre recursos hídricos subterrâneos é Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos / Cap. 8 347 a determinação das taxas máximas de bombeamento possíveis que são compatíveis com o ambiente hidrogeológico a partir do qual a água será explotada. Essa necessidade de compatibilidade implica que os rendimentos da água subterrânea devem ser vistos em termos de equilíbrio entre o bombeamento da água e as mudanças indesejadas que serão geradas por tal atividade. A mudança mais comum que resulta do bombeamento é o rebaixamento do nível da água; nos casos mais simples, o rendimento da água subterrânea pode ser definido como a taxa máxima de explotação que pode ser permitida assegurando o rebaixamento do nível da água em limites aceitáveis. O conceito de rendimento pode ser aplicado em várias escalas. Se a nossa unidade de estudo for um único poço, podemos definir o rendimento do poço; se nossa unidade de estudo é um aquífero, podemos definir o rendimento do aquífero; e se nossa unidade de estudo for uma bacia hidrográfica, podemos definir o rendimento da bacia. O rendimento de um poço pode ser definido como a taxa máxima de bombeamento que pode ser fornecida sem rebaixar o nível da água até abaixo do nível da bomba. O rendimento de um aquífero pode ser definido como a taxa máxima de bombeamento que pode ser sustentada pelo aquífero sem causar um declínio inaceitável na carga hidráulica do mesmo. O rendimento de uma bacia pode ser definido como a taxa de retirada que pode ser sustentada pelo sistema hidrogeológico na bacia hidrográfica sem causar reduções inaceitáveis na carga hidráulica do sistema ou que cause alterações inaceitáveis a qualquer outro componente do ciclo hidrogeológico da bacia. À luz dos efeitos da interferência de poços que serão discutidos na Seção 8.3, fica claro que o rendimento de um aquífero é altamente dependente do número e espaçamento dos poços existentes. Se todos os poços de um aquífero altamente utilizado bombearem a uma taxa igual ao rendimento de cada poço, é provável que o rendimento do aquífero seja excedido. À luz do efeito da drenança em aquitardes e da interferência entre aquíferos, temas que serão também discutidos na seção 8.3, fica claro que o rendimento de uma bacia hidrográfica é altamente dependente do número e do espaçamento entre os aquíferos explotados nessa bacia. Se todos os aquíferos forem bombeados a uma taxa igual ao rendimento de cada aquífero é provável que o rendimento da bacia seja excedido. Esses simples conceitos devem ser úteis ao leitor nas primeiras seções deste capítulo. Contudo, o conceito de rendimento de uma bacia hidrográfica merece reconsiderações em maior profundidade, o que será apresentado na Seção 8.10. 8.2 Prospecção de Aquíferos Um aquífero é uma formação geológica capaz de produzir uma quantidade de água economicamente viável através de poços. Deve ser poroso, permeável e saturado. Embora os aquíferos possamassumir muitas formas dentro de uma grande variedade de ambientes hidrogeológicos, uma leitura dos dados de permeabilidade e porosidade exemplificados nas Tabelas 2.2 e 2.4 e as considerações das discussões do Capítulo 4 deixam claro que certos depósitos geológicos apresentam maior interesse como Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos / Cap. 8 348 aquíferos. Entre os mais comuns, destacam-se: areias inconsolidadas e cascalhos aluviais, glaciais, lacustres e de deltas; rochas sedimentares, especialmente calcários e dolomitos, arenitos e conglomerados; bem como rochas vulcânicas porosas ou fraturas. Na maioria dos casos, a exploração de aquíferos torna-se uma busca por um ou outro desses depósitos geológicos. Os métodos de exploração podem ser agrupados em quatro categorias: geológico de superfície, geológico de subsuperfície, geofísico de superfície e geofísico de subsuperfície. Métodos Geológicos de Superfície Os passos iniciais de um programa de prospecção de água subterrânea são tomados no escritório e não no campo. Muito pode ser aprendido a partir de mapas, relatórios e dados existentes. Para quase toda a América do Norte, existe pelo menos um mapa geológico publicado, em alguma escala; existem mapas de solos ou geológicos de superfície publicados para a maioria das áreas; além de mapas hidrogeológicos, para algumas áreas. Mapas geológicos e relatórios fornecem ao hidrogeólogo uma indicação inicial das formações geológicas de uma área, juntamente com sua estratigrafia e relações estruturais. Mapas de solos ou de geologia superficial, juntamente com mapas topográficos, fornecem uma ideia inicial sobre a distribuição e gênese dos depósitos superficiais não consolidados e as formas de relevo associadas. Mapas hidrogeológicos fornecem uma interpretação resumida dos dados topográficos, geológicos, hidrogeológicos, geoquímicos e de recursos hídricos disponíveis para uma área. Interpretações de fotografias aéreas também são amplamente utilizadas na prospecção da água subterrânea. É possível preparar mapas morfológicos, de solos, uso da terra, vegetação e padrões de drenagem a partir de uma fotografia aérea. Cada um desses fatores influencia o sistema natural de fluxo da água subterrânea e/ou a presença de aquíferos potenciais. Way (1979) e Mollard (1973) propuseram manuais de interpretação de fotografias aéreas e ambos incluem um grande número de fotos interpretadas, muitas das quais ilustram feições hidrogeológicas. Entretanto, mesmo em áreas onde existe quantidade considerável de informações, geralmente é necessário realizar um mapeamento geológico em campo. Do ponto de vista da importância das areias e cascalhos não consolidados como aquíferos potenciais, atenção especial deve ser dada às formas do relevo e à distribuição de depósitos glaciais e aluviais. Onde os depósitos de areia e cascalho são escassos, ou onde estes são superficiais e não saturados, atenção mais detalhada deve ser dada à litologia, estratigrafia e estruturas presentes nas formações rochosas. Os métodos de mapeamento hidrogeológico descritos na Seção 6.1 são úteis na determinação da escala e profundidade dos sistemas naturais e no mapeamento de suas áreas de recarga e descarga. Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos / Cap. 8 349 Métodos Geológicos de Subsuperfície Olhar apenas para as manifestações superficiais de um ambiente geológico raramente é suficiente. É improvável que as relações estratigráficas de subsuperfície sejam reveladas totalmente sem uma investigação subterrânea direta. Mais uma vez, o passo inicial geralmente envolve uma pesquisa dos registros disponíveis. Muitos estados e governos exigem que os registros geológicos de todos os poços tubulares estejam disponíveis em um banco de dados para o uso de outros pesquisadores. Estes dados, embora de qualidade variável, muitas vezes podem fornecer ao hidrogeólogo informações consideráveis sobre os acertos e fracassos passados de uma dada região. Na maioria dos programas de exploração, especialmente aqueles em larga escala para abastecimento industrial ou municipal, é necessário realizar sondagens para delimitar melhor as condições subterrâneas. Os furos de sondagem proporcionam a oportunidade de perfilagem geológica e geofísica e de amostragem de materiais geológicos. Perfurações piloto também podem ser utilizadas para obter amostras de água para análise química e medição do nível freático no local. Programas de perfurações piloto, juntamente com mapas geológicos e registros de poços disponíveis, podem ser interpretados em termos da litologia, estratigrafia e estruturas locais e regionais. Seus registros podem ser usados para preparar seções estratigráficas, blocos- diagrama, indicar espessuras de camadas ou formações e mapas de litofácies. As interpretações hidrogeológicas podem incluir mapas potenciométricos e de isópacas da espessura da zona saturada em aquíferos não confinados. Os resultados de análises da água subterrânea, quando exibidas graficamente usando os métodos do Capítulo 7, podem fornecer evidências importantes sobre o ambiente geoquímico natural, bem como uma medida direta da qualidade da água. Métodos Geofísicos de Superfície Existem duas técnicas geofísicas que são utilizadas, até certo ponto, na exploração de aquíferos. São elas o método da sísmica de refração e o método da eletrorresistividade. O projeto de levantamentos geofísicos que utilizam estas abordagens, assim como a interpretação das medidas geofísicas resultantes, é um ramo especializado das Ciências da Terra. Não se espera que um hidrogeólogo se torne um especialista e, por esta razão, nossa discussão é breve. Por outro lado, é necessário que o hidrogeólogo esteja ciente da capacidade e limitações destes métodos. Caso esta breve apresentação não atinja este objetivo, o leitor deve recorrer a uma literatura básica da área de geofísica, tal como Dobrin (1960), ou para os diversos artigos de revisão que tratam especificamente da aplicação da geofísica na prospecção de água subterrânea, tais como McDonald e Wantland (1961), Hobson (1967) ou Lennox e Carlson (1967). O método da sísmica de refração baseia-se no fato de que as ondas elásticas se propagam com diferentes velocidades através dos diferentes materiais geológicos. Quanto mais denso o material, maior será a velocidade da onda. Quando as ondas elásticas atravessam uma interface geológica que separa duas formações com diferentes Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos / Cap. 8 350 propriedades elásticas, a velocidade de propagação da onda modifica-se e suas trajetórias são refratadas de acordo com a lei de Snell. Na exploração sísmica, as ondas elásticas são geradas por uma fonte de energia, geralmente uma pequena explosão, na superfície do terreno. Um conjunto de receptores, chamados geofones, é posicionado em uma linha a partir da posição da fonte de energia (ponto de tiro). As ondas geradas na superfície e refratadas sob o ângulo crítico em uma camada de alta velocidade em profundidade, alcançarão os geofones mais distantes antes do que as ondas que se propagam diretamente através da camada superficial de baixa velocidade. O tempo decorrido entre a liberação de energia da fonte e o tempo de chegada da onda elástica em um geofone é registrado em um sismógrafo. Um conjunto de registros sismográficos pode ser usado para gerar um gráfico do tempo de chegada versus a distância do ponto de tiro ao geofone e este, por sua vez, com o auxílio de uma teoria simples, pode ser usado para calcular a profundidade das camadas e suas respectivas velocidades sísmicas. Na pesquisa de água subterrânea,
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