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LIVRO - Água Subterrânea_AllanR Freeze_JhonA Cherry_2017 - traduzido

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ISBN: 978-85-94189-00-4
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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 
 
 
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Introdução / Cap. 1 2 
 
 
Tradutores: Isabella Elba Marcelo, Jean Junkes, Júlio Vilar, Marcela Klis Barbato, 
Michele Marques; Bruna Camargo Soldera (líder de capítulo); Ricardo Hirata (gerente); 
Diego Fernandes Nogueira (diagramador); Everton de Oliveira (coordenador). 
1.1 Água subterrânea, a Terra e o Homem 
Este livro é sobre água subterrânea. 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 
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Introdução / Cap. 1 14 
 
1.3 Embasamentos Técnicos para o Desenvolvimento de Recursos de Águas 
Subterrâneas 
As duas primeiras seções deste capítulo fornecem uma introdução aos tópicos que 
planejamos abordar neste texto. 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. 
 
 
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Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos / Cap. 8 344 
 
 
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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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